【顶刊综述Chemical Society Reviews】南方科技大学徐强教授、肖欣研究助理教授：可持续锌-空气电池化学

第一作者：王启晨

通讯作者：肖欣*，徐强*

单位：南方科技大学

可持续锌-空气电池（ZAB）由于其固有的安全性、高能量密度、宽工作温度窗口、环境友好等优点，被认为是一种很有前途的电化学储能装置，在未来的储能市场中显示出巨大的前景。但是，低能量效率和短循环寿命严重限制了ZAB的实际应用。该综述归纳了ZAB近期取得的系列突破性进展，从ZAB的基本特性和设计原理出发，系统地总结了ZAB的原理、用于空气阴极的氧电催化剂、ZAB电解质以及锌电极存在的问题和稳定策略。同时，还重点回顾了ZAB原位表征技术的重大进展，为电解质/电极界面的反应机理和动态演化提供了深入的信息。最后，对未来可持续ZAB的健康发展提出了一些批判性的思考。

近日， 南方科技大学徐强教授、肖欣研究助理教授 在国际知名期刊 Chemical Society Reviews 上发表题为 “Sustainable zinc-air battery chemistry: advances, challenges and prospects” 的综述文章。该综述分析了可持续锌-空气电池的关键组件、反应机制、存在的问题和解决方案，同时对该领域未来的研究方向提出了展望。

首先，介绍了锌-空气电池涉及到的电化学反应和评价指标。其次，根据不同的因素进行电池分类：水系/准固态锌-空气电池、温度适应性的锌-空气电池、碱性/中性锌-空气电池、光辅助的锌-空气电池和杂化锌-空气电池。最后，重点对不同类型ZAB的特点和优势进行总结。

ZAB的充放电效率取决于阴极侧的氧还原/析出反应（ORR/OER）。其中，原子级调控策略可以实现对氧催化剂表/界面的电子结构调控，降低ZAB的极化问题。同时，通过形貌和纳米孔结构调控、缺陷工程构筑、原子掺杂、曲率调控、异质结构建和纳米复合等策略来提高催化剂活性。此外，以功能为导向，结合多种表/界面调控策略，可开发出高活性、高选择性、高耐受性的廉价电催化材料，从而实现“从原子/分子水平的基础理解到高效氧催化剂的设计合成”的目标。

原子级调控手段可适用于不同类型的催化材料。目前，常用到的氧催化剂包括：贵金属、纳米碳或碳@金属催化剂、过渡金属催化剂、原子分散金属位点催化剂、金属有机框架及其衍生物、高熵合金和钙钛矿氧化物催化剂等。贵金属催化剂有限的储量和高昂的价格限制了其大规模应用。因此，制备廉价且高效的氧催化剂是实现兼具科学和实际应用意义的关键所在。

仅调控氧催化剂的电子结构并不能完全提高ZAB的输出性能。将催化剂装配到空气阴极中，如要发挥其最大效能，需要考虑到空气阴极的结构设计和表面浸润性。由于O ₂ 在电解液中的溶解度和扩散速率较低，因此，促进反应过程中电解液和气体反应物的充分接触，对优化气-液-固三相界面显得尤为重要。

电解质是ZAB的重要组成部分，它决定了电池的反应机理和输出性能。电解质主要分为水系电解液、准固态凝胶电解质和离子交换膜。电解质的物理化学性质取决于它的组分。一般来说，理想的ZAB电解质应具有以下特点：高溶解性和快速的O ₂ 扩散能力、宽电化学窗口、低挥发性和易燃性、稳定的电解质|电极界面和良好的润湿性。

水系电解液受到如下因素的影响：pH、浓度、碱金属离子种类、锌盐种类、有机分子添加剂和氧化还原电子对的影响。凝胶电解质既具有固体性能，又同时具备液态特性，被称为准固态。准固态凝胶电解质的物化性质取决于：单体的选择、合成方式和填料等。其中，PVA凝胶电解质存在离子电导率低、机械性能差和保水能力弱等问题，无法保证电池长时间稳定工作。相比较而言，单网络/双网络/纳米复合凝胶电解质和离子交换膜陆续被开发出来，同时它们还具有一定的抗冻和耐热属性，对发展柔性ZAB的工作温度范围和提高其电化学性能至关重要。

锌沉积/溶解反应对ZAB的整体性能方面亦起着决定性的作用。理想的Zn负极应具有以下特性：高导电性、高电化学稳定性、低析氢活性、适当的刚性和韧性和高可逆性。目前报道的ZAB在长循环后的性能衰减主要是由于电解液消耗和Zn负极钝化引起的不稳定界面造成的。Zn负极主要面临着腐蚀、枝晶生长和析氢副反应的影响，其可通过电极结构设计、界面修饰、Zn ²⁺ 离子溶剂化结构调控和准固态电解质调控等策略进行缓解。

实际工况条件下，在多个尺度和时间范围使用原位技术，如原位同步辐射、原位电镜、原位XRD、原位拉曼、原位光学显微镜和差分电化学质谱方法等表征技术，可实时监测电极材料结构变化、电解质/电极界面演变、失效机制和Zn ²⁺ 离子传输特性，深入追踪、理解电池反应过程以及探究氧化还原机制。借助原位表征技术，对进一步设计关键电极材料和器件优化具有重要的指导意义。

近年来，可持续锌-空气电池取得了长足的发展，但其距离真正商业化依然道阻且长。鼓励开展更为深入和系统的实验/理论工作，可为未来锌-空气电池走向实用铺路。以下五个方向需要重点考虑：低电势差的双功能氧催化剂作为高倍率锌-空气电池阴极催化剂；探索新型锌-空气电池电解液及反应机制；阐明锌-空气电池失效机制及优化思路；探究宽温域锌-空气电池系统和新科学问题；建立标准化的测试工艺和评价体系。

路漫漫其修远兮吾，锌-空气电池在未来储能市场领域拥有着一个美好而又灿烂的明天。虽然锌-空气电池储能市场前景美好，但仍需要广大科技工作者付出艰苦卓绝的努力来攻克商业化的难题。

Sustainable zinc-air battery chemistry: advances, challenges and prospects https://doi.org/10.1039/D2CS00684G

徐强 教授简介：南方科技大学讲席教授，日本工程院院士，印度国家科学院院士，欧洲科学院院士，国家特聘教授。曾先后任日本国立产业技术综合研究所（AIST）首席研究员，AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室主任，神户大学、京都大学教授（兼）。2014-2022年连续入选汤森路透-科睿唯安全球高被引学者，曾获汤森路透研究前沿奖、洪堡研究奖及市村地球环境学术奖等。担任《EnergyChem》主编，《Coord. Chem. Rev.》副主编，《Adv. Energy Mater.》、《Chem》、《Matter》、《Chem. Asian J. 》等期刊编委。目前主要致力于金属有机框架（MOF）及衍生物等材料的可控制备及其在催化、能源、环境及传感等领域的应用。

肖欣 研究助理教授简介：南方科技大学研究助理教授，硕士生导师，深圳市孔雀C类人才。曾公派留学美国休斯敦大学（2018年-2020年）。2020年博士毕业于华中科技大学，随后加入南方科技大学徐强院士团队。主要从事高效非Pt基电催化剂的制备以及对催化剂结构与性能构效关系的探究。近五年在Chem. Sci.、Chem. Soc. Rev.、EnergyChem、Chem、ACS Nano、Coord. Chem. Rev.等期刊发表SCI论文37篇。

王启晨 博士简介：南方科技大学博士后，入选南方科技大学第13批校长卓越博士后。2022年博士毕业于中南大学（导师：李亚栋院士和雷永鹏教授），随后加入南方科技大学徐强院士团队。主要从事原子分散金属位点催化剂、能源电催化和金属-空气电池的研究。以第一作者（含共一）在Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., ACS Nano (2), Adv. Funct. Mater. (2), ACS Energy Lett., Small, Energy Environ. Sci. (3), Sci. Bull., Adv. Energy Mater., J. Mater. Chem. A (2), Chem. Commun.等高水平期刊上发表学术论文20篇，其中，高被引论文7篇，3篇曾入选热点论文。

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