- 新型催化剂使锌空气电池可充电，解决技术障碍。
- 可充电锌空气电池的连续运行时间可达300小时。
- 锌空气电池在成本和安全性上优于锂离子电池。
- 锌空气电池适合用于固定电网能量储存及重型运输。
化学家们已经解开一个秘密，这个秘密有可能将锌空气电池转变为终极可充电能源。达姆施塔特工业大学的研究人员开发了一种多功能复合材料，旨在实现可充电锌空气电池的技术。使这些电池可充电一直是极具挑战性的任务，因为控制电池内部复杂的化学反应是主要的技术障碍。为了解决这一问题，由约尔格·施奈德教授领导的研究团队展示了一种由铁、镍和碳组成的新型复合材料，能够稳定这些内部过程。
有趣的是，这一发展使可充电锌空气电池的连续运行时间可达 300 小时。团队表示：“组装的二次锌空气电池在恒流充放电测试中可循环超过 300 小时。”
新型催化剂的开发
高效混合催化剂锌空气电池一直低调运行，主要用于助听器等一次性产品。这些电池的能量存储能力可达锂离子电池的五倍，但由于在充电过程中控制其复杂的内部化学反应几乎不可能，因此始终是一次性使用。研究团队通过将含有氮和磷的碳材料上牢固固定纳米级尖晶石颗粒（由铁、镍和氧组成）来解决这一难题。尖晶石在材料科学和电气工程中因其独特的特性而被广泛应用。这种新型材料利用这些专门的电化学特性，作为长效内部催化剂。
早期，镍铁氧化物是设计用于驱动可充电锌空气电池内部氧反应的催化剂基础材料。然而，这些催化剂面临着化学活性低和稳定性差的挑战，限制了其在可充电锌空气电池中的应用。为了解决这一问题，研究人员创建了一种混合催化剂，将微小的镍铁氧化物立方体包裹在掺氮和掺磷的碳纳米角中。这层碳外壳提供了快速的电子和质量传输，同时创造了众多活跃的反应位点。该结构还能保护铁氧化物颗粒免于聚集或溶解，从而使催化剂更加耐用和有效。
取代锂电池这种催化剂展示了令人印象深刻的电化学性能，具有高达 0.79 V 的半波电位、56.5 mV/dec 的低塔菲尔斜率，以及高效的四电子氧还原途径。在整个锌空气电池单元中测试时，其最大功率密度达到 54 mW/cm²，几乎是标准铂和铂催化剂设置的 28 mW/cm² 基准的两倍。在实验室测试中，该催化剂能够通过稳定“三重接合点”——固体催化剂、液体电解质和环境氧气的相互作用，实现最多 300 小时的连续运行。
因此，该材料保持了可靠的长期电池运行所需的稳定化学条件。
锌空气电池的优势
锌空气技术在成本、安全性和可扩展应用方面相对于锂离子系统具有显著优势。锂、钴和镍面临着严重的供应链问题，而锌、铁和碳等材料则在全球范围内充足且经济实惠。此外，锌空气电池使用的水基电解质不易燃，消除了与锂离子电池相关的危险热失控火灾风险。尽管中等的功率密度使其不太适合快速充电的消费电子产品，但其高能量密度使其非常适合用于支持太阳能和风能的固定电网能量储存。最终，扩大规模的锌空气电池也有可能成为重型运输和电动车的高效长途电源。
项目 规格 半波电位 0.79 V 塔菲尔斜率 56.5 mV/dec 最大功率密度 54 mW/cm² 基准功率密度 28 mW/cm² 连续运行时间 300 小时
锌空气电池的未来潜力
锌空气电池技术的突破可能会改变可再生能源的储存方式。这种电池不仅在能量密度上超越锂离子电池，还在材料的可获得性和安全性方面具备优势。随着对可持续能源需求的增加，锌空气电池的应用范围可能会扩展至固定电网及重型运输领域，这对于未来的能源转型至关重要。研究人员的创新催化剂设计为长期稳定运行提供了可能，这将进一步推动锌空气电池的商业化进程。