可充電鋅空氣電池因其高能量密度、環保、安全等優點，被認為是下一代先進能源器件的有力競爭者，是我國“雙碳”目標實現過程中電化學儲能領域重要的關鍵技術之一。然而，鋅空氣電池快充過程類似于電解水反應，面臨嚴重的氣泡析出問題。正極氧析出反應產生的氣泡附著于電極表面，導致反應活性位點失效、電解液中離子傳輸受阻、電解液擠出泄露等嚴重危害。雖然大量的工作致力于開發高活性的非貴金屬雙功能催化劑，但對于電極中的氣泡行為及傳輸機理卻始終缺乏完整的理論以及調控方案。

 

       中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系特任教授談鵬團隊針對電化學系統中的氣泡行為和調控機制開展了一系列研究（Chem. Eng. J., 2022, 427:130862;Chem. Eng. J., 2022, 438:135541；Chem. Eng. J., 2022, 448:137782；EnergyReviews, 2023, 2: 100015）。近日，談鵬團隊提出“氣泡二極管”概念用于鋅空氣電池快充過程中氣體的快速排出，實現高性能快速穩定充電，并闡明了電化學系統中氣泡傳輸的內在機理。相關成果在《儲能材料》（Energy Storage Materials）上發表了題為“Boosting gaseous oxygen transport in a Zn-air battery for high-rate charging by a bubble diode-inspired air electrode ”的研究論文。

 

       談鵬團隊將“氣泡二極管”的概念應用于二次鋅空氣電池中，以實現快充過程氣體的及時輸運。數值計算結果表明，大尺寸氣泡需要更高的接觸角差使正反面產生足夠的不平衡表面張力驅動其穿過電極。據此繪制了氣泡和接觸角大小相關的氣泡行為相圖，用于指導電極設計。

圖1“氣泡二極管”基空氣電極設計相圖

 

       以膨體聚四氟乙烯（ePTFE）膜基體為研究對象，基于原位觀測平臺和數值模擬發現，充電過程中“氣泡二極管”基空氣電極上氣泡選擇性地從親氣性較差的一側（接觸角：100o）穿過電極孔進入親氣性較強的一側（125o），而在傳統的碳紙基電極（137o至99o）和泡沫鎳基電極（134o至63o）中氣泡因為反向“二極管”效應吸附在電極表面。因此，氣泡的及時排出得益于對電極浸潤性的精準調控。電化學質譜儀測試表明，“氣泡二極管”基電池充電過程中釋放出更多的氧氣，尤其是在高電流下，例如30mA/cm2，分別超過泡沫鎳和碳紙基電池9.2%和15.2%的析氧率。進一步在50mA/cm2的超高電流密度下大容量充電（96分鐘），電極表面始終維持潔凈的“無氣泡”狀態，且電極表面活性物質的脫落受到明顯抑制。由此可知，在“氣泡二極管”的作用下，氧析出反應產生的氣體被及時排出電池體系，避免了氣泡的附著及由此導致的高充電氧化態下的碳腐蝕反應。電化學測試結果顯示，“氣泡二極管”基鋅空氣電池在2.2V的截止電壓下表現出94mA/cm2的高充電極限電流密度，50mA/cm2電流密度下表現出1.98V的低充電極化曲線電壓，并擁有600圈的穩定長循環性能（10mA/cm2）。

圖2“氣泡二極管”和傳統碳紙、泡沫鎳基鋅空氣電池電化學性能測試

 

       談鵬團隊基于交叉學科的思想，將傳熱傳質、電化學、流體力學等學科相融合，成功揭示電化學系統中的氣泡傳輸機理，實現電化學反應的高效穩定運行，為包括金屬空氣電池、電解水制氫等高性能析氣電極的設計指明方向。

 

       中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系特任教授談鵬為該論文的通訊作者，博士研究生何義為第一作者。該研究得到了安徽省自然科學基金、國家創新人才計劃青年項目、中科院人才項目和中科大啟動經費的支持。

 

       論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.030