锌空气电池电解质的发展
时间：2020-10-30 15:15:22 来源：达达文档网 本文已影响 人 
黄家和
摘要：锌空气电池具有成本效益高、能量密度高等优点，而充放电周期少、效率低一直是阻碍锌空气电池在市场上大规模部署的障碍。本文讨论了一下锌空气电池不同电解质体系的研究进展，并对其优缺点进行了探讨。
[关键词]锌空气电池电解质
在现代生活中如电力使用、交通运输等诸多方面，能源消费的需求不断增加，对社会维持能源供应的能力提出了挑战。找寻合适的储能设备一直是电池研究的主题。可充电电池超越了燃料电池、超级电容器等其他储能设备，成为当今主要使用的储能设备。金属一空气电池的电极由金属阳极和空气阴极构成，是一种具有高能量密度的储能技术。而其中的锌空气电池因其极高的性价比、安全性，原材料易获取、易回收等优点，有潜力成为未来全球能源储存和供应的骨干技术。本文综合已经成功商业化的电池，从锌空气电池电解质角度，简单介绍了目前锌空气电池不同体系的研究进展，并对其优缺点进行了讨论。
1水电解质
锌一空气电池自诞生以来就采用以碱性电解质为主的水电解质。氢氧化钾是目前最常用的碱性电解质，具有导电性高、对锌电极和空气电极的活性高、低温性能好等优点。
锌空气电池一般由锌阳极（如碱性电解液中的锌金属、锌粉等添加剂粉末）、碱性电解液、分离器和空气阴极（含催化剂的碳基层）组成。在放电过程中，大气中的氧气扩散到阴极，并被还原为羟基离子。这些羟基离子迁移到阳极，与锌发生反应，形成Zn（OH）2"，并释放电子，这些电子被运送到阴极，而Zn（OH）2"则析出形成氧化锌。锌空气电池在放电过程中的阳极、阴极和总反应可以表示为：可以发现，阴极消耗的水可以从2-
Zn（OH）2"的分解中回收回来，总的反应产物是氧化锌。然而，因为阴极暴露在空气中，水的蒸发是不可避免的，随着时间的推移，这会导致电解质干燥，最终缩短电池寿命。此外，锌电极失效和空气电极失效都会影响电池的使用寿命，并成为锌空气电池实现可充放的障碍。
在锌电极方，循环寿命较差的四个主要原因分别是枝晶、形变、钝化和自放电。在提出的解决方案中，在电极或电解质中添加添加剂已被证明是目前将一些问题最小化的有效方法。此外，微孔分离器和多层分离器的组合可以解决混合问题，前者可以减少形变和钝化，后者可以限制枝晶。不幸的是，一个问题的一种解决方案会伴随着其他问题的产生。比如，电解质中有足够的OH一有助于防止钝化，然而这也可能促进Zn（OH）2在电解质中的溶解，引起枝晶和形变;在电解质中加入抑制锌酸减溶剂可以抑制枝晶和形变，但必须注意控制添加剂浓度以避免诱导钝化。换句话说，要获得理想的电池性能，需要选择合适的添加剂，并具有适当的钝化效果，从而平衡电池的循环寿命和容量。
在空气电极方，氧还反应（ORR）和析氧反应（OER）效率低下是研制可行的锌空气可充电电池的关键障碍。此外碳酸盐沉淀、电解液浸出和改造是导致空气电极失效的另外三个问题。
在水溶液电解质中，包括无机酸（如亚硫酸）和有机酸（如甲烷磺酸、聚乙烯醇磺酸和聚乙烯醇硫酸）的酸性电解质已经被提出并且发展出了锌空气电池。然而，在大多数酸性电解质中，阳极中的锌金属并不稳定，存在严重的腐蚀问题。因此在实际应用中不宜使用酸性电解质。对于广泛采用的碱性水溶液电解质，目前锌空气电池系统中仍或多或少存在问题。因此，许多研究工作集中在开发新的电解质系统，以修改或取代传统的碱性电解质，改善锌空气电池的性能，并促进其在固定设施和汽车市场的应用。
2非水电解质
近二、三十年来，采用非水电解质制备锌空气电池受到了广泛的关注。其驱动力是消除电极腐蚀、枝晶形成、电解液干燥和浸出等关键问题，这些问题都根源于水系。非水电解质主要有两大类，即固体聚合物电解质（SPEs）和室温离子液体（RTLs）。
2.1固体聚合物电解质
早在20世纪90年代，SPEs就被引入锌空气电池系统，以取代传统的碱性水溶液电解质和分离器。SPEs是将导电盐溶解到聚合物中形成的离子导电固体。将SPEs应用于锌空气电池的主要优点是消除了流体水系统中存在的电解液浸出现象，从而提高了电池的使用寿命。此外，由于几乎没有对流，SPEs中的电极腐蚀问题同样得到了缓解。
2.2室温离子液体
近十年来，非水离子液体（ILs）逐渐成为可充电锌空气电池的理想电解质。非水离子液体，完全由离子（阳离子和阴离子）组成，是一种低熔点的盐，熔点在100°C左右或更低。具体来说，在室温或室温以下熔化的离子液体称为RTILs。阳离子和阴离子的不同选择和组合导致了RTILs的多样性。因此，RTILS独特的优点是其可调谐性，这一优点使其成为许多研究领域的良好溶剂和反应介质。将RTILs与传统的水电解质在该领域的研究进展中进行比较，可以得到将新型RTLs应用于电池的优点。首先，水溶液电解质固有的体积劣势对非水溶液RTILS来说不是问题，这使得它们成为电池中更安全的替代品，目前，RTILs作为电解质广泛应用于锂离子电池中用以缓解其安全问题。其次，完全离子是RTILs区别于水电解质的另一个特征。水电解质起源于盐在水溶剂中的溶解，由溶解的离子、带电或中性的组合以及溶剂分子组成，而RTILs是通过向系统提供热量来克服盐晶格能而融化（液化）的盐，只由离子及其组合组成，没有任何分子溶剂。这种离子性质保证了在电池中使用RTILs具有广阔的电化学窗口，同时具有很高的电极效率。
在锌空气电池系统中使用非质子RTILs的优点是，由于电解液中缺少质子，可以避免由氢演化而引起的锌腐蚀。因此，在RTILs中电沉积锌的电流效率提高，通常超过85%。非质子RTILs还具有改善锌沉积形状、防止锌的枝晶形成等额外好处。相关研究表示，RTIL阳离子对沉积大小有影响，而沉积物形貌和生长方向则与RTIL陰离子密切相关。
在锌空气电池系统中，RTIL基电解质的开发在减少枝晶形成、避免电解质干燥和实现
可逆氧反应方面取得了良好的效果，却也存在着亟待解决的问题。比如，高粘度RTILs中锌和空气电极的电化学动力学与水溶液相比要低近两个数量级，这对RTILs的实际应用造成了很大的困扰。
3混合电解质
混合电解质在锌空气电池中的应用，主要涉及两种电解质体系的混合：水溶液电解质和非水溶液RTILs电解质。水溶液是广泛应用于锌空气电池的常规电解质，而RTILs作为一种更为先进而安全的电解质替代品正在被研究。这两种电解质都有其独特的优点。
第一种方法是基于水电解质的混合电解质，即将RTILs加入到传统的碱性水电解质中。研究发现，这种方法能够在保持高电极动力学的同时抑制枝晶的形成。第二种方法是将非水的RTILs与其他溶剂混合。本身RTILs具有高电导率的潜力，但由于电导率与粘度成反比，RTILS的高粘度极大地限制了其电导率的提高。因此研究人员提出在RTIL基溶剂中加入少量共溶剂如苯、醇等来降低RTIL粘度的方法。
混合电解质中含有多组分不可避免的会增加电池电化学的复杂性。研究电解质体系中不同组分之间的相互作用，以及锌盐的溶解度和氧在這些混合电解质中的溶解度，是混合电解质未来研究的方向。
参考文献
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