注：文章最后有研究团队介绍以及本文科研思路分析。
中国的锌金属储量居世界第一。 锌基水系电池结合了水系电解液的高安全性和锌的高理论比容量和低成本。 它们在便携式电源和动力电池领域具有巨大的应用潜力。 在众多锌基电池中，镍锌电池具有工作电压高、能量密度高的优点，受到了广泛关注。 此外，镍锌电池还具有优异的倍率性能，在一次调频、不间断电源等大功率应用场景中优势明显。
Ni(OH)2是一种镍锌电池正极材料，因其低成本和高氧化还原电位而备受关注。 然而，在充电过程中，镍锌电池正极的Ni(OH)2会被氧化成NiOOH，而NiOOH是良好的析氧(OER)催化剂，导致氧化过程中不可避免地发生析氧副反应。过程。 释放的氧气导致电池膨胀和电解质消耗，从而限制电池的能量效率和稳定性。 目前，为了实现碱性镍锌电池的高容量和稳定性，大多数研究集中在新材料的开发和正极侧形貌成分的控制，或者通过电解液添加剂和充电电压的控制。 但正极侧充电过程中OER抑制效果并不理想，导致循环稳定性较差。
近日，中国科学院大连化学物理研究所杨维申研究员和朱凯跃副研究员团队提出了一种新型“会呼吸”的镍锌电池（Ni-ZnAB），解决了不可避免的析氧问题。对镍锌电池阴极侧的影响。 反应问题，即通过在氢氧化镍正极上偶联氧还原催化剂（如Pt、MnO2等），类似于“呼吸空气”，在充电（呼气）时产生氧气，还原利用排出（吸入）时的氧气。 最终，镍锌电池的能量效率和稳定性显着提高。
图1. Ni-ZnAB电池示意图
与传统的镍锌电池相比，新型镍锌AB电池在正极和电解液方面都表现出更高的稳定性。 例如，传统镍锌电池正极侧的Ni(OH)2颗粒容易出现严重的龟裂和脱落，而镍锌AB电池正极侧的Ni(OH)2颗粒则保持良好的稳定性。循环过程中具有良好的纳米片形态。 确保充电和放电的可逆性。 此外，循环50小时后，Ni-Zn电池电解液中的锌离子浓度从15 gL-1下降至8 gL-1，而Ni-ZnAB电池中的锌离子浓度保持稳定。 最终，得益于Ni-ZnAB电池对副产物氧气的有效利用，其能量转换效率和稳定性明显优于传统Ni-Zn电池。 组装好的Ni-ZnAB软包电池在2 mA cm-2电流下可实现100小时稳定，平均能效高达85%，明显优于传统镍锌电池。 采用富电解质体系后，在2 mA cm-2电流下可实现500次循环（250 h）的超高稳定性，并且能量效率始终高于80%。 受锌空气电池的启发，作者提出了一种策略，通过耦合氧还原催化剂来利用镍锌电池中的副产物氧，从而显着提高电池的能量转换效率和稳定性。
图2. Ni-ZnAB电池性能图表
综上所述，该工作通过将氧还原催化剂耦合到氢氧化镍正极，成功地利用了传统镍锌电池中的副产氧气，大大提高了镍锌电池的能量转换效率和稳定性。 同时，这项工作也揭示了碱性电池在不良电解质体系中失效的根本原因，为高能量密度、高稳定性镍锌电池的设计提供了重要参考。 该结果最近发表在Angew上。 化学。 国际。 埃德。 并被评选为“非常论文”。 文章第一作者为中国科学院大连化学物理研究所博士生谢伟丽，通讯作者为杨伟申研究员和朱凯跃副研究员。
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和-锌与空气-
谢伟丽、朱*、杨、蒋、李、王、杨*
安吉乌。 化学。 国际。 编辑，2023 年，DOI：10.1002/anie。
通讯作者信息
杨维申，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员，国家杰出青年基金获得者（2007年）。 1990年毕业于大连化学物理研究所，获理学博士学位。 曾在英国伯明翰大学（1989年）、德国弗劳恩霍夫界面工程与生物技术研究所（1999年）、美国南加州大学（2001年）做访问学者。 曾任科技部973项目首席科学家； 目前主持国家自然科学基金重大项目。 致力于无机膜及催化功能材料的合理设计和分子水平制备合成。 在Sci等权威杂志发表SCI文章400余篇。 高级，JACS，Angew。 化学。 国际。 Ed.等，SCI引用25000次，H因子79； 已获得专利60余项； 应邀撰写学术专着2部。 分别由（电子版下载量超过10000次）和科学出版社（2016年国家科技学术著作出版基金资助）出版。 多次在该领域重要国际会议上作特邀报告。 作为第一完成人获国家自然科学奖二等奖一次（2015年），辽宁省自然科学奖一等奖两次（2006年、2020年），两次获得中国科学院优秀导师称号（2015 年，2019 年）。 成功推动基础研究转化为工业应用，并率先建立了全球最大的乙醇分子筛膜脱水装置。
朱凯跃，中国科学院大连化学物理研究所副研究员。 2018年获得中国科学院大连化学物理研究所理学博士学位，后赴美国南卡罗来纳大学从事博士后研究。 2021年返回大连化物所工作。主要从事水系锌基电池研究，重点关注反应机理和高性能电极材料的开发设计。 近年来以第一作者在Angew上发表论文17篇。 化学。 国际。 编辑，高级。 Mater.、ACS Lett.、ACS Nano、Mater.、Nano 等期刊。 回国后在Angew担任通讯作者。 。 在Chem上发表论文5篇。 国际。 编辑，化学。 工程师。 J.等期刊。
科研思路分析
问：这项研究的最初目的是什么？ 或者这个想法是怎么产生的？
答：经过研究，我们发现目前镍锌电池研究中对析氧副反应关注较少，但该反应对电池性能起着决定性作用。 虽然通过常规电解液添加剂或控制充电电压的策略可以在一定程度上减缓副反应，但效果并不理想。 既然无法避免，我们将探讨如何利用析氧反应。 通过分析氢氧化镍电极的氧化还原电位，发现其氧化反应优于析氧反应，其还原反应优于氧还原反应。 受锌空气电池的启发，我们提出了一种策略，通过耦合氧还原催化剂来利用镍锌电池中的副产物氧，从而显着提高电池的能量转换效率和稳定性。
问：您在研究过程中遇到了哪些挑战？
答：这项研究最大的挑战是将电催化反应与电极本身的氧化还原结合起来，获得性能优异、稳定性高的“可呼吸”正极。 在这个过程中，我们团队之前在电催化方面的经验和知识发挥了至关重要的作用。 此外，电池结构的设计和组装也是一大难点。 我们团队较为成熟的锌离子电池软包技术为此提供了很大的帮助。
问：这项研究成果可能有哪些重要的应用？ 哪些领域的企业或研究机构可能会从这一结果中受益？
答：本研究设计的“可呼吸”氢氧化镍正极有望彻底解决镍锌电池正极侧的析氧副反应，实现高能量转换效率和高稳定性。 我们认为，这种新型“透气”正极的出现将推动二次碱性镍锌电池的发展，未来有望应用于移动电源、动力电池等领域。