可充电锌空气电池因其高能量密度、环保、安全等优点，被认为是下一代先进能源器件的有力竞争者，是我国“双碳”目标实现过程中电化学储能领域重要的关键技术之一。然而，锌空气电池快充过程类似于电解水反应，面临严重的气泡析出问题。正极氧析出反应产生的气泡附着于电极表面，导致反应活性位点失效、电解液中离子传输受阻、电解液挤出泄露等严重危害。虽然大量的工作致力于开发高活性的非贵金属双功能催化剂，但对于电极中的气泡行为及传输机理却始终缺乏完整的理论以及调控方案。

 

       中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏团队针对电化学系统中的气泡行为和调控机制开展了一系列研究（Chem. Eng. J., 2022, 427:130862;Chem. Eng. J., 2022, 438:135541；Chem. Eng. J., 2022, 448:137782；EnergyReviews, 2023, 2: 100015）。近日，谈鹏团队提出“气泡二极管”概念用于锌空气电池快充过程中气体的快速排出，实现高性能快速稳定充电，并阐明了电化学系统中气泡传输的内在机理。相关成果在《储能材料》（Energy Storage Materials）上发表了题为“Boosting gaseous oxygen transport in a Zn-air battery for high-rate charging by a bubble diode-inspired air electrode ”的研究论文。

 

       谈鹏团队将“气泡二极管”的概念应用于二次锌空气电池中，以实现快充过程气体的及时输运。数值计算结果表明，大尺寸气泡需要更高的接触角差使正反面产生足够的不平衡表面张力驱动其穿过电极。据此绘制了气泡和接触角大小相关的气泡行为相图，用于指导电极设计。

图1“气泡二极管”基空气电极设计相图

 

       以膨体聚四氟乙烯（ePTFE）膜基体为研究对象，基于原位观测平台和数值模拟发现，充电过程中“气泡二极管”基空气电极上气泡选择性地从亲气性较差的一侧（接触角：100o）穿过电极孔进入亲气性较强的一侧（125o），而在传统的碳纸基电极（137o至99o）和泡沫镍基电极（134o至63o）中气泡因为反向“二极管”效应吸附在电极表面。因此，气泡的及时排出得益于对电极浸润性的精准调控。电化学质谱仪测试表明，“气泡二极管”基电池充电过程中释放出更多的氧气，尤其是在高电流下，例如30mA/cm2，分别超过泡沫镍和碳纸基电池9.2%和15.2%的析氧率。进一步在50mA/cm2的超高电流密度下大容量充电（96分钟），电极表面始终维持洁净的“无气泡”状态，且电极表面活性物质的脱落受到明显抑制。由此可知，在“气泡二极管”的作用下，氧析出反应产生的气体被及时排出电池体系，避免了气泡的附着及由此导致的高充电氧化态下的碳腐蚀反应。电化学测试结果显示，“气泡二极管”基锌空气电池在2.2V的截止电压下表现出94mA/cm2的高充电极限电流密度，50mA/cm2电流密度下表现出1.98V的低充电极化曲线电压，并拥有600圈的稳定长循环性能（10mA/cm2）。

图2“气泡二极管”和传统碳纸、泡沫镍基锌空气电池电化学性能测试

 

       谈鹏团队基于交叉学科的思想，将传热传质、电化学、流体力学等学科相融合，成功揭示电化学系统中的气泡传输机理，实现电化学反应的高效稳定运行，为包括金属空气电池、电解水制氢等高性能析气电极的设计指明方向。

 

       中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏为该论文的通讯作者，博士研究生何义为第一作者。该研究得到了安徽省自然科学基金、国家创新人才计划青年项目、中科院人才项目和中科大启动经费的支持。

 

       论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.030