大連化物所制備新型“可呼吸式”電池正極

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電池是我們日常生活中使用最廣泛的物品之一，從計算機、移動電話、電子手表等都離不開它的“身影”。而便攜電源和動力電池領域中，堿性鎳鋅電池因其具有能量密度大、功率密度高、安全性好、成本低等優點而極具發展潛力。近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員楊維慎和副研究員朱凱月團隊在堿性鎳鋅電池研發方面取得新進展。團隊提出了一種新型正極的設計策略，通過在氫氧化鎳正極上負載氧還原催化劑，制備出了“可呼吸式”氫氧化鎳正極，顯著提高了鎳鋅電池的能量轉化效率和循環穩定性。相關成果發表在《德國應用化學》上，并被選為“Very Important Paper”。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生謝威立。

各式各樣的“可呼吸式”鎳鋅電池（研究團隊供圖）

氫氧化鎳（Ni(OH)2）是最為理想的鎳鋅電池正極之一，具有成本低、氧化還原電位高等優點。然而在充電過程中，Ni(OH)2被氧化后生成羥基氧化鎳（NiOOH），后者是良好的氧析出催化劑，容易在電極表面發生析氧副反應。

“傳統的鎳鋅電池不可避免地會產生氧氣，但是這些氧氣無法得到有效利用，導致電池的能量轉化效率低，并且循環穩定性差。”楊維慎告訴記者。

本工作中，研究團隊制備了一種新型的“可呼吸式”氫氧化鎳正極。

“電池在充電的時候產生氧氣，類似于人體‘呼氣’的行為，而放電時消耗氧氣就像‘吸氣’一樣。在充電過程中正極產生的氧氣可以在放電過程中被氧還原催化劑利用，從而顯著提高鎳鋅電池的能量轉化效率和穩定性。”朱凱月解釋道，“我們稱之為‘可呼吸式’正極。”

同時，電極和電解質均得到改善，電池的循環穩定性也得到提升。在循環50小時后，傳統鎳鋅電池電解質中鋅的濃度從15 g L-1降到了8 g L-1，而Ni-ZnAB電池仍然保持穩定。此外，傳統鎳鋅電池正極側的Ni(OH)2顆粒出現了嚴重的破裂脫落問題，而Ni-ZnAB電池正極側的顆粒仍維持良好的納米片形貌。

最終，組裝的軟包電池在2 mA cm-2下能夠實現100小時的高穩定性，且平均能量效率為85%，明顯優于傳統Ni-Zn電池。在富電解液的體系中，Ni-ZnAB電池能夠實現長達500圈（250小時）的超高穩定性，能量效率始終高于80%，最高功率達到98 mW cm-2, 展示了Ni-ZnAB的重要應用潛力。

“該工作不僅開發出了一種能夠利用鎳鋅電池副產物的‘可呼吸式’正極，”楊維慎介紹道，“同時，它揭示了貧電解液體系堿性電池失效的根本原因，為高能量密度和高穩定性鎳鋅電池的設計提供了新思路。”

下一步，團隊將增大可呼吸正極活性物質和催化劑的載量，并重點解決鋅負極鈍化問題，最終實現高能量密度和高循環穩定性的鎳鋅電池。