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1研究背景
随着可再生能源的兴起，储能技术成为研究的热点。锌空气电池（RZABs）因其高理论能量密度、低成本和环境友好性，成为大规模固定应用的有前景的候选者。然而，中性锌空气电池的空气阴极在充放电过程中存在动力学缓慢的问题，这限制了其功率密度和能量效率。为了提高空气阴极的催化性能，研究人员探索了多种方法，包括新型催化剂的设计和现有催化剂的改进。然而，这些方法往往资源密集且耗时。因此，开发一种通用、经济且有效的方法以提升空气阴极的反应动力学显得尤为重要。
2成果简介
在这项研究中，研究人员提出了一种利用太阳能诱导的光热效应来提升中性锌空气电池空气阴极反应动力学的通用、可持续且有效的方法。通过使用成本低廉的碳黑作为阴极材料，研究人员在光照条件下将空气阴极的温度从室温提升至40.5°C，从而加速了电催化反应动力学，并降低了锌空气电池的界面电阻。得益于阳光促进的反应动力学，中性锌空气电池展现出更高的功率密度（2.89 mW cm⁻²）和超过250小时的循环稳定性，分别是未光照条件下的116%和156%。此外，研究人员还展示了在白天利用太阳能驱动充电，在夜间放电的太阳能增强充电和放电过程，有望应用于分布式能量存储。这项研究不仅为高效锌空气电池的发展提供了新思路，也为其他电化学装置中电催化电极的合理设计提供了启示。3图文导读
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图1 展示了碳黑的光热效应机制。图1a为导电碳黑在太阳光照射下的光热效应机制图。图1b和1c为Vulcan XC-72碳黑的透射电子显微镜（TEM）图像。图1d为碳黑的拉曼光谱图。图1e为碳黑层在碳纸载体上的紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）吸收光谱图。图1f为空气阴极的光照前后红外图像。图1g为空气阴极在有光照和无光照条件下的温度-时间曲线图。![]()
图2 展示了光热效应对空气阴极催化性能的提升。图2a和2b分别为空气阴极在有光照和无光照条件下的氧还原反应（ORR）和氧进化反应（OER）极化曲线。图2c比较了空气阴极在有光照和无光照条件下的OER和ORR性能。图2d为锌空气电池（ZAB）在有光照和无光照条件下的电化学阻抗谱（EIS）图。图2e比较了ZAB在有光照和无光照条件下的欧姆电阻和电荷传递电阻。图2f为ZAB在有光照和无光照条件下的开路电压（OCV）曲线![]()
图3 展示了光热效应对锌空气电池电化学性能的影响。图3a为ZAB在0.5 mA cm⁻²恒定电流密度下的放电/充电电压-时间曲线。图3b为ZAB在不同电流密度下（0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10 mA cm⁻²）的光照条件下的容量-电压曲线。图3c为ZAB在不同电流密度下的速率性能。图3d为ZAB在1.0 mA cm⁻²恒定电流密度下的循环性能。图3e为ZAB在有光照和无光照条件下的性能对比雷达图。![]()
图4 展示了空气阴极在锌空气电池中的反应动力学分析。图4a和4b分别为空气阴极在放电15小时后，有光照和无光照条件下的O 1s和Zn 2p X射线光电子能谱（XPS）谱图。图4c为空气阴极在放电15小时后，有光照和无光照条件下的拉曼光谱图。图4d和4e分别为锌空气电池在一个充放电循环中的放电/充电电压曲线、X射线衍射（XRD）等高线图和相应的XRD模式。图4f和4g分别为空气阴极在有光照和无光照条件下的放电产物的扫描电子显微镜（SEM）图像。![]()
图5 展示了太阳能驱动和太阳能促进的锌空气电池。图5a为锌空气电池白天由太阳能电池充电、夜间放电的示意图。图5b为白天锌空气电池的充电照片。图5c为夜间锌空气电池为二极管供电的照片。图5d为锌空气电池在不同时间间隔为电子时钟供电的照片。 4小结
本研究通过利用光热效应提升中性锌空气电池的空气阴极反应动力学，开发了一种高性能中性锌空气电池的设计策略。通过使用成本低廉的碳黑作为空气阴极的活性材料，光照条件下将阴极温度提升至40.5°C，从而促进了氧还原反应（ORR）和氧进化反应（OER）的动力学。因此，与未光照条件下相比，ZAB的功率密度提高了16%，长期稳定性提高了56%，达到了250小时以上。研究人员还展示了在白天利用太阳能充电、在夜间放电的太阳能增强充电和放电过程，有望应用于分布式能量存储。这项研究不仅为高效锌空气电池的发展提供了新思路，也为其他电化学装置中电催化电极的合理设计提供了启示。文献：
https://doi.org/10.1021/acsami.4c14141
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