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多维度炭材料在高性能锌-空气电池中的先进设计策略

 DT_Carbontech 2022-08-03 发表于浙江

摘 要

锌-空气电池(ZABs)具有高安全性、低成本、高比容量和环境友好等特点,已成为能源研究的热点之一。然而,空气正极上缓慢的氧析出/氧还原反应(OER/ORR)和锌负极上不可忽视的锌枝晶生长问题严重阻碍了锌-空气电池的大规模应用。在过去的几年里,具有低成本、良好导电性、高化学稳定性和 OER/ORR 双功能催化活性的炭材料已被广泛研究。本文首先介绍了锌-空气电池的基本原理及炭材料应用于锌-空气电池中的特点与优势。进一步综述了多维度炭材料(一维、二维、三维)在空气电极、锌负极和隔膜等电池主体中的研究进展,着重讨论多维度炭材料对电池性能的提升机理。最后,提出了当前炭材料应用于锌-空气电池面临的挑战,并对未来的研究重点与发展方向进行了展望。

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结论

碳材料以其优异的导电性、独特的理化性能和良好的电催化活性受到广泛关注,为ZABs的发展提供了巨大的机遇。本文综述了多维碳材料的合成方法、催化活性位点及其在ZABs中的应用等方面的最新进展。经过多维度结构、电子传输能力和机械强度的合理设计,碳材料可以广泛应用于ZABs的各个部件,从而获得戏剧性的电池性能。

尽管最近的进展增强了研究人员对ZABs的信心,但仍有一些问题亟待解决。首先,高氧催化活性的碳材料大多来自天然生物质、MOFs中的有机链接剂、热解生成的含碳元素分子,制备周期长、能耗高、可控性差。因此,探索新的方法以达到环境友好、合成简单、高可控性和重现性是非常重要的。其次,目前的研究主要集中在ZAB的电催化剂上,而锌阳极在提高ZAB性能方面面临着更为严峻的问题,因为在碱性电解质中,ZAB的循环寿命往往低于空气电极。基于碳材料的锌阳极改性在提高循环稳定性和库仑效率方面具有优势,但研究体系主要是在近中性或弱酸性介质中。应进一步研究锌阳极在碱性环境中的作用机理。第三,ZABs中的分离器通常是聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP),这是在商业电池中常用的,如锂离子电池。因此,开发一种具有耐腐蚀、孔结构合适、离子选择性好、力学性能稳健的新型分离器,调节电极上的电荷分布,抑制锌枝晶生长也是未来一个重要的研究方向。总之,在这个令人兴奋的领域继续研究将促进ZABs的发展和商业化过程。

文章信息

期刊:新型炭材料
题目:多维度炭材料在高性能锌-空气电池中的先进设计策略
Advanced design strategies for multi-dimensional structured carbonmaterials for high-performance Zn-air batteries
关键词:多维炭材料;锌-空气电池;氧还原反应;锌阳极;隔膜
作者:浙江工业大学 尹瑞连 曹澥宏等

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