2020-06-16
锌空气电池被认为是最有前途的金属空气电池之一，具有良好的安全性、环保性、经济性。当前学术界针对锌空气电池的研究主要集中在改进锌电极、制备空气阴极的电催化剂以及开发各种调节成分的策略上。但是，当前大多数研究都仅考虑到在锌空气电池的单一组分上（如锌阳极、电解质和空气电极），关于整体电池器件的研究很少。然而，锌空气电池结构的合理设计对于商业化至关重要。首先，锌空气电池是半开放式系统，容易导致电解质的泄漏和挥发，从而导致电池的故障和电气设备的腐蚀。因此，锌空气电池的密封性对电池结构的设计有更严格的要求。其次，在实际应用中，应考虑电池的实际体积和质量来归一化电池能量密度。为了使得锌空气电池与其他商用电池有可比性，设计具有合适体积的电池结构的高能量密度电池至关重要。第三，设计具有整体电池结构的锌空气电池可以真正反映实际应用中的工作状态。第四，优化的整体电池结构可以为研究单个电池组分（例如电极和电解质）提供一个更科学的电化学环境，从而促进锌空气电池在的未来市场应用。
近日，团队成员博士生赵泽泉设计了一种易于组装的无螺栓紧凑型锌空气电池结构（BCZAB），并将该结构的密封效果和能量密度与学术研究中常用的传统电池结构进行了比较。此外，研究中将五个单体电池的电池组放电性能与市售商业铅酸进行了比较。最后，为了证明基于该结构的锌空气电池的应用前景，研究将包含十个单体电池的电池堆用作小型电动摩托车的电源，并且生产了规模储能用的液流电池单元。
研究结果表明，BCZAB不仅具有良好的密封性能，而且BCZAB的质量归一化电池容量和体积归一化电池容量分别达到了传统模具的3.7倍和3.6倍，这是由于以下原因：（i）在BCZAB节约了电解液用量从而节省了包装材料，因而归一化的电池容量降低。（ii）BCZAB优异的质量效率，采用电池壳体一体化的密封方式，减少了许多多余配件、有效节约了电池空间。
Figure 1 (a) The torque value and the leakage observation of the conventional configuration under different stress conditions. (b) The curves of electrolyte loss. (c) The galvanostatic discharge curves at 10 mA cm−2 of batteries with different configurations based on (c) the battery volume, and (d) the battery mass.
基于BCZAB结构的锌空气电池堆的体积和质量能量密度分别比铅蓄电池高112.9％和132.9％，这表明该型锌空气电池组已满足商业化的基本要求。
Figure 2 Schematic diagram of (a) a typical lead-acid battery configuration, (b) five zinc–air batteries in series and (c) two parallel zinc–air batteries in series. (d) Galvanodynamic curves, power curves and (e) galvanostatic discharge curves at 10 mA cm−2 of different battery stacks.
本研究开发的BCZAB锌空气电池结构可以通过将空气电极通过机械紧固件固定在电池主体上可以实现良好的密封效果，从根本上可以避免因应力不均匀而造成的人为泄漏风险。此外，BCZAB的质量效率比传统配置的电池高246.7％。BCZAB可以稳定工作，并具有良好的放电性能。五串的锌空气电池的电池组体积能密度和质量能密度具有分别为117.3 Wh L-1和68.0 Wh kg-1，均超过了商用铅酸电池。研究最后模拟了基于BCZAB的锌空气电池组的静态和动态应用，证明了锌空气电池在移动电源和规模储能方面的未来商业潜力。
相关成果发表于Journal of Power Sources期刊上，指导教师为钟澄教授。
全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775320303645
