近日，中国科学技术大学工程科学学院谈鹏特任教授团队在新型金属空气电池方面取得突破性进展，报道了一种可在无氧环境中运行且具有超快自充电能力的新型锌空气电池，打破了锌空气电池依赖于空气运行的短板，研究成果以题为“A zinc-air battery capable of working in anaerobic conditions and fast environmental energy harvesting”发表在Cell press出版社旗下新晋高水平旗舰期刊Cell Reports Physical Science上（Cell. Reports. Phy. Sci. 2022. DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.100904）。
锌空气电池由于其安全性、无毒性、高能量密度（~1080Wh/kg）、正极物质氧气的丰富性引起了广泛的关注。然而，其正极反应物氧气也极大地限制了应用范围（无法在无氧条件下运行），因此这也成为锌空气电池最大的短板。
本工作创造性地将氧化铜的多功能性应用于锌空气电池，一方面，氧化铜可以催化锌空气电池，另一方面，氧化铜自身可以发生氧化还原反应。因此，该种新型锌空气电池在空气中运行时，可以以氧化铜为催化剂运行；在无氧条件下时，由于氧化铜到铜的还原电位低于锌空气电池反应电位，锌铜反应可以被激活，而作为活性物质参与反应，保证电池的继续运行。此外，在氧气电位的驱动下，该电池在从无氧转移至空气时，还表现出了超快的自充电能力。
如图1a所示，当从空气条件转移至无氧条件后，以Pt/C电极为正极的传统锌空气电池电压直线下降，很快失效；而以CuO电极为正极的新型锌空气电极从空气条件转移至无氧条件后，电压平台降低后，表现出了两段放电平台（1.15V和0.79V）。在循环伏安测试中（图1c），锌铜电池展现出了两个氧化峰与还原峰，分别代表铜与氧化亚铜以及氧化亚铜与氧化铜之间的转化。当在空气条件时，氧化铜作为催化剂，可以催化氧还原反应（ORR），此时展现出锌空模式（蓝色部分）；当在无氧条件下时，氧化铜与铜之间的转化可以带动锌铜模式（红色部分）。此外，该电池还表现出了超快的自充电性能（~120 s）（图2），基于DFT计算结果，该能力产生的机理为：当从无氧环境转移至空气中时，由于氧气反应的平衡电位（1.65V）远大于铜基氧化物反应的电位（～1.1V和～0.8V），因此可以驱动铜基材料从低价态向高价态转换，且Cu（110）对氧气的吸附能力远大于其它两个晶面，而反应结束后铜（110）晶面的峰强度也远大于原始的铜，从而赋予了该电池超快的自充电能力。该项工作推动了新型锌空气电池的发展，并启发了新型储能材料及环境能量汲取技术的发展。
图1 空气与无氧条件下电化学性能测试以及反应原理分析
图2 自充电性能以及其机理
中国科学技术大学尚文旭博士为该文章的第一作者，中国科学技术大学谈鹏特任教授和西安交通大学吴震副教授为共同通讯作者。本项工作得到了安徽省自然科学基金、中科大青年创新重点基金、中科大-延长石油新能源联合实验室、中科院人才项目和唐仲英基金会仲英青年学者及国家自然科学基金等项目的支持。
课题组（先进电源研究组）网站：http://staff.ustc.edu.cn/~pengtan/
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386422001825