【科技】清华大学深研院成会明院士、周光敏副教授、李佳副教授AM：可充电锌空气电池，单次循环超大放电容量，超长循环寿命

【背景】

传统的两电极可再充电锌空气电池（RZAB）具有两个主要问题。（1） 与空气阴极处催化剂的氧还原（ORR）和析氧（OER）反应的要求相反。（2） 锌阳极处的锌枝晶形成、氢气生成和锌腐蚀。

【工作介绍】

为了解决这些问题，近日， 清华大学伯克利分校深圳学院和清华大学深圳国际研究生院成会明院士、周光敏副教授、李佳副教授等团队 设计了一种三电极RZAB（T-RZAB），具有一个无锌阳极和两个用于ORR和OER的独立阴极，其中每个阴极中的催化剂在放电和充电的最佳动力学和热力学条件下工作。镀锡铜泡沫(CF@Sn)被用作无锌阳极，其诱导（002）Zn平面的生长，其抑制Zn枝晶的形成、析氢反应（HER）和自放电。锌被电沉积在CF@Sn在T-RZAB的充电过程中从电解质中分离出来。原位光学显微镜显示，去耦阴极对T-RZABs中的ORR和OER都具有快速动力学CF@Sn有效地抑制了Zn枝晶的形成和析氢。透射电子显微镜和X射线吸收光谱也表明，去耦的阴极避免了ORR催化剂的氧化。

结果，T-RZAB在空气中10mA cm ^-2 的电流密度下具有800mAh cm ^-2 的每循环高放电容量、0.66V的放电/充电平台之间的低电压间隙、88.1%的高DOD和5220h的超长循环寿命。这些数值都比报告的RZAB要好。此外，按比例放大的T-RZAB每次循环的放电容量为10安时（Ah），长循环寿命为1080小时。T-RZAB电池组的总能量为895.8瓦时（Wh），能量密度为151.8 Wh kg ^-1 ，远高于商用水系电池。

【要点】

一、开发了一种三电极RZAB（T-RZAB），包括疏水放电阴极、亲水充电阴极和无锌阳极。解耦的阴极能够实现快速的ORR和OER动力学，并避免ORR催化剂的氧化。

二、使用镀锡铜泡沫的无锌阳极可诱导（002）Zn平面的生长，抑制析氢并防止Zn腐蚀。结果，T-RZAB具有800mAh cm ^-2 的每循环高放电容量，0.66V的放电/充电平台之间的低电压间隙，以及在10mA cm ^-2 的电流密度下5220小时的超长循环寿命。

三、开发了一种大的T-RZAB，其放电容量为每次循环10Ah，循环1000小时后没有明显降解。最后，组装了一个T-RZAB电池组，其能量密度为每公斤151.8瓦时，低成本为每千瓦时46.7美元。

图1、T-RZABs的工作机理和优点，以及C-RZABs和T-RZABs中FeNC的结构表征。

图2、结构表征、Zn沉积行为和HER活性CF@Sn和Zn（002）。

图3、腐蚀防护和HER活性CF@Sn和Zn（002）。

图4、基于CF@Sn、F-Ni ₂₇ Fe ₁₀ LDH和FeNC。

图5、T-RZAB的放大及其实际应用。

【总结】

本工作制备了一种三电极RZAB，它有效地克服了空气阴极中OER和ORR催化剂的相反动力学和热力学要求。

具有FeNC和F-Ni ₂₇ Fe ₁₀ LDH催化剂的解耦阴极在1000小时循环后显示出优异的稳定性。原位光学显微镜显示，放电阴极避免了氧泡在其表面的吸附，充电阴极有效地解吸了氧泡。HAADF-STEM表明，解耦的FeNC放电阴极在充电过程中没有被氧化为Fe ₂ O ₃ 。这个CF@Sn诱导（002）Zn平面的生长，防止Zn枝晶的形成，抑制HER并抑制阳极中的锌腐蚀。

由于F-Ni ₂₇ Fe ₁₀  LDH、FeNC和CF@Sn在T-RZAB中，T-RZABs具有每循环800mAh cm ^-2 的高放电容量，88.1%的高DOD，以及在10mA cm ^-2 的空气中5220h的超长循环寿命，这远远超过了已报道的RZAB。按比例放大的T-RZAB每循环放电容量为10 Ah，循环寿命为1080 h。T-RZAB电池组的比能量密度为151.8 Wh kg ^-1 ，低成本为46.7美元kWh ^-1 ，有潜力用于电动自行车。三个电极和无锌阳极的这些策略可以为电动汽车和大规模电能存储设计具有超长循环寿命和高能量密度的RZAB指明道路。

Rechargeable zinc-air batteries with an ultra-large discharge capacity per cycle and an ultra-long cycle life Xiongwei Zhong†, Yangfan Shao†, Biao Chen, Chuang Li, Jinzhi Sheng, Xiao Xiao, Baomin Xu, Jia Li*, Hui-Ming Cheng*, Guangmin Zhou*

doi: 10.1002/adma.202301952.