中国储能网讯：电化学可充的锌-空气电池具有能量密度高、水系电解液安全、经济性强等特点，在电动汽车、便携式电源以及大型储能方面具有广阔应用前景，是发展绿色清洁能源的重要产业方向。但该电池的空气电极制备过程需要高性能催化剂和特殊的电极结构，这些问题严重制约了锌-空气电池的产业化进程。本文从催化剂开发和电极结构设计两个角度分析空气电极研究开发现状，并对今后催化剂及空气电极的发展趋势进行讨论。开发高活性、高稳定性、价格合理的双功能电催化剂，进行高度结构化的空气电极设计与制备工艺研究；发展适合于批量化制造的三电极结构的锌-空气电池是未来锌-空气电池的重要方向。
引言
目前，在常见的电化学储能装置中，金属-空气电池（metal-air battery）是电能高效转换和大规模储存的重要技术方向。该电池利用空气中的氧气作为正极电化学反应活性物质，金属锂、锌、铝或镁作为负极电化学反应活性物质。在电池运行过程中金属电极发生溶解或沉积，放电产物溶解在碱性电解液中；空气中的氧气在负载电催化剂的空气电极（bifunctional air electrode，BAE）中，进行氧还原（ORR）或氧析出（OER）电化学反应，完成电能与化学能相互转换。在不同类型的金属-空气电池中，水系的锌-空气电池技术相对成熟，在未来的能源应用中有极大的前景。由于锌-空气电池的正极使用空气中的氧气作为活性物质，容量无限；电池比能量取决于负极容量，理论能量密度高达1086 W·h/kg，是目前锂离子电池技术的5倍。在成本方面，锌-空气电池可能以更低的价格生产，据估计少于10 $/(kW·h)，比锂电池低2个数量级。因此，性能优良的可充电锌-空气电池在新能源发电储能、电动汽车和便携式电源等领域有广阔的应用前景。
锌-空气电池的标准电动势为1.65 V，实际条件下充电电压高于此值，放电电压低于此值。该电池的负极为锌电极，一般由锌粉、锌板、锌箔或泡沫锌等材料组成。正极为空气电极，一般由扩散层、集流体和催化层组成。通过优化电极结构和催化剂的组分可以使电池性能得到明显提高。电解液一般采用6 mol/L的KOH溶液，室温下该浓度的电解液具有较高的电导率，且电解液中能够溶解一定量的Zn2+。对于锌-空气电池来说，充放电过程中空气电极发生的氧析出反应（OER）和氧还原反应（ORR）相对于负极锌更难进行，O2在水中溶解度低（10-6 mol/L），在空气电极表面吸附困难，且氧氧键能很大（498 kJ/mol），很难断裂，从而造成正极动力学过程相对缓慢，相同电流密度下过电势更大的特点，电压损失主要来自于正极，是制约锌-空气电池性能的核心要素之一。为了进一步提高电池性能，开发有高活性和稳定性的空气电极催化剂就显得十分必要。同时，空气电极的反应涉及多相、多界面间的传质，所涉及的原子、基团、部件等跨尺度问题十分复杂，合理设计空气电极的结构，促进气-液-固三相界面的传质，是降低空气电极电化学极化的重要途径。本文主要讨论空气电极的气体扩散结构、催化剂以及双功能空气电极研究进展。
文章目录及图文导读
1 空气电极内的扩散传质
2 空气电极催化剂
2.1 单功能氧还原催化剂
2.1.1 氧还原过程（ORR）原理
2.1.2 氧还原催化剂
表1 一次锌-空气电池单功能氧还原催化剂
2.2 双功能催化剂
图1 钙钛矿结构及其氧还原活性与电子填充数关系
图2 3DOM Co3O4的TEM图及可充电锌空电池充放电性能及循环稳定性
图3 NiCo/PFC双功能催化剂循环稳定性结果、SEM图及气液固三相反应过程示意图
表2 可充电锌-空气电池双功能催化剂
3 空气电极结构
图4 基于混合型催化剂的三电极式电化学可充电锌-空气电池
4 新型双功能空气电极
表3 不含黏结剂的集成式空气电极
图5 Co4N/CNW/CC双功能电极在电化学可充电锌-空气电池中的应用
图6 Co4N/CNW/CC双功能电极在电化学可充电锌-空气电池中的应用
结语
由于市场对绿色电池产品与新能源技术的迫切需求，国内外已经开展大量研究并取得显著技术进步，其中电化学可充的锌-空气二次电池具有能量密度高、安全环保的特点，得到越来越多的关注。空气电极作为电池关键组件，是研究开发的焦点。虽然目前关于空气电极相关的研究已经有很多的进展，但为了进一步发展电化学可充式二次锌-空气电池仍需要很多的努力。因此，未来的研究仍然需要在以下几个方向继续努力。
（1）开发高活性、高稳定性、价格合理的双功能电催化剂。进一步对水系电解液条件下氧还原过程和氧析出过程的机理有更深入的理解，对催化剂的活性位点有更深入的认识，进而能够合理设计新型的催化剂。
（2）高度结构化的空气电极设计与制备工艺开发。现在的锌-空气电池研究与碱性燃料电池十分相似，使用碳材料为基底，如Toray碳纸等，然而碳材料在反复的充放电过程中，极易发生碳蚀现象。而且，空气电极的制备过程十分繁琐，辅助成分的添加也会产生一些不利的影响。催化剂与基底间作用力较弱时极易脱落，造成电池性能的衰减。因此，需要发展一些新型结构的空气电极结构，使电池的使用周期更长。
（3）发展适合于批量化制造的三电极结构锌-空气电池。通过ORR和OER过程的解耦，为保持催化剂与空气电极性能提供条件，有效提高充放电循环稳定性。此外，电化学可充电的锌-空气电池在能量密度和技术经济方面有明显优势，是未来新型电池技术的重要发展方向。
