鉅大LARGE | 點擊量：397次 | 2023年07月14日
?韓國漢陽大學設計出新型的鋅-空氣袋狀電池
鋅空氣電池（ZABs）由于其許多優勢特性，是最有前途的下一代電池技術之一。最值得注意的是，這些電池具有獨特的半開放結構，顯著的理論能量密度（包括和不包括氧氣時分別為1,086和1,370Whkg-1），靈活的電極和固有的水電解質。此外，與電池中使用的其他材料相比，鋅（Zn）對環境的危害更小，而且更豐富。
韓國漢陽大學的研究人員最近設計了一種新型的鋅-空氣袋狀電池，其性能超過了其他商業化的電池技術。在《自然-能源》雜志上發表的一篇論文中介紹的這些袋式電池，使用(101)-面狀磷化銅[CPS(101)]作為陰極，抗凍殼聚糖-生物纖維素作為超離子導體電解質，以及圖案化鋅作為陽極。
"以前采用液體（6MKOH）電解質的ZABs失敗了，因為氧還原和進化反應（ORR/OER）的動力學遲緩，以及Zn在寬溫度下伴隨著寄生反應的不可逆性，"進行這項研究的研究人員之一Jung-HoLee告訴TechXplore。"這一特點啟發我們開發固態電解質，如功能化生物纖維素，能夠有效地轉移OH-離子而不發生寄生反應。"
Lee和他的同事在以前的工作中創造的基于FBN的電解質在室溫下表現出64mScm-1的高離子傳導率。然而，研究人員發現，由于與水凍結和體積膨脹有關的問題，它在零下和高溫下不起作用。
在他們的新論文中，研究人員因此建議使用殼聚糖-細菌-纖維素（CBCs）作為陰離子交換、固態電解質。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
Lee說："我們使用的兩個關鍵過程（TEMPO氧化和DBO季銨鹽化）大大改善了電池的抗凍特性，以及它們的抗膨脹性、交聯的兼容性和離子識別特性。"水也存在并在CBC內部轉移，但其形式是分子水，而不是液態水。因此，我們可以獲得卓越的電池性能和良好的穩定性，即使是在-20℃。
Lee和他的同事制造的基于CBC的膜電解質使用氫氧化物溶液的混合物進行了離子交換。因此，它們顯示出比更多傳統堿性電解質更低的pH值。研究人員制備的納米纖維狀的CPS（101）是專門為袋狀電池的應用而合成的。
Lee說："由于CPS（101）的最佳化學比例是C:P:S=1:0.5:0.5，化學比例的變化對電池運行期間的電化學性能有關鍵影響。"磷和硫陰離子在空間上與銅陽離子的配位相同（Cu-S和Cu-P鍵的數量相同），在隨后的循環中保持了相當穩定的短程和長程秩序結構。"
當研究人員制造的鋅-空氣袋電池在運行時，如果FBN膜無法形成固體電解質間相（SEI），CBCs會產生一個堅固的SEI層，這導致了卓越的循環壽命。此外，CBCs保護陽極表面免受腐蝕和副反應。與使用水電解質或其他固態電解質的電池相比，這可以促進更長的循環。
Lee說："在室溫下記錄的卓越的電導率（86.7mScm-1）是迄今為止報告的氫氧化物超離子導體的冠軍值，它是商業A201的兩倍。"一個5微米薄、900平方厘米大小的CBCs膜可以簡單地鑄造，即使在干燥的環境中，在-20oC的低溫下也具有特殊的機械強度，而FBN、A201或聚砜則容易降解成小碎片。"
對下一代電池的一般要求是電池包級能量密度>300Whkg-1，75kWh-1美元，15分鐘內的快速充電能力（至少80%的充電），以及在廣泛的溫度范圍內運行的能力。為了滿足這些要求，電池設計者必須克服一系列的限制，同時還要確保電池是安全的，電化學/機械穩定的，用地球上豐富的、易于回收的材料制造的，并在廣泛的溫度范圍內運作良好。
過去開發的ZAB在電池層面上實現了非常低的能量密度，通常在<1mAcm-2的低電流密度下達到<40Whkgcell-1，并且只在室溫下工作。這些能量密度明顯低于那些被認為適合下一代電池商業化的能量密度。
Lee說："大多數報道的鋅空氣電池可能是按照5-10%的放電深度（DOD）進行的淺循環，這無法實現與鋰離子電池競爭的電池能量。"即使以前的少數報告保留了所需的35兆瓦時cmgeo-2的面積能量，他們的循環壽命和DOD分別限制在100次以下和5-10%的DOD。要獲得120Whkgcell-1的比能量，至少需要20%的DOD，然而，以前的工作沒有遵循商業電池所需的這些最低標準。"
在他們的論文中，Lee和他的同事介紹了可能具有商業可行性的一安時（Ah）柔性鋅空氣袋電池，因為它們在寬廣的溫度范圍內（-20至80oC）表現出超高的電池級能量密度（460Whkgcell-1和1389Whl-1），在20%DOD的6000次循環和70%DOD的1100次循環中具有5-200mAcm-2的高速率容量。這些袋裝電池的性能優于許多市售的鋰離子電池和其他常用的電池。
Lee說："我們的袋裝電池通過優化電池參數，在電流密度為25mAcm-2的情況下，在350個循環中顯示出最高的電池級能量密度為523±15Whkgcell-1（體積能量密度為~1609±35Whl-1），DOD為70%。"我們還表明，通過應用雙極堆疊技術（增加堆疊的數量），在袋裝電池容量為20Ah時，體積能量密度可以進一步增加到~1800WhL-1。這些數值可以使每次充電的行駛里程達到~800-900英里，在15分鐘內達到100%的充電能力，以及~100萬英里的里程耐久性"。
在它們被進一步測試后，新的鋅空氣袋電池可以被大規模地生產。據Lee和他的同事說，它們也有可能被用于為無人機、電動汽車或電動短途飛機提供動力。
"我們現在正在簡化CPS（空氣陰極）和CBC（固體電解質）的合成配方，以實現值得生產的擴大化，"Lee補充說。"盡管我們的ZABs通常在-20至80oC下運行，但我們也試圖使運行溫度范圍更廣。此外，我們將考慮使用鋁而不是鋅，以評估鋁-空氣電池的潛力。"
