新型鋅空氣電池架構提升能源密度達 80%

科學家發明瞭一種新技術，使電池的能量密度提高高達 80% 而無需改變其基本化學成分。巴塞羅那材料科學研究所（ICMAB-CSIC）與 ICN2 及拉普拉塔國立大學合作，開發了一種新型鋅空氣電池架構，能在不改變核心化學的情況下提升功率輸出。數十年的電池設計凝聚出一條不可妥協的規則：保持電解質的電氣非導電性。液體中的自由電子會導致短路，從而使電池失效。由 Nieves Casañ-Pastor 和 Marc Mosqueda 領導的團隊展示了將未連接的導電金屬元素加入電解質中，可以安全地改善性能。

特別是，研究發現將導電金屬片引入無膜鋅空氣電池的液體中，能創造無線雙極電極。這種設計策略為提升其他電池技術的功率和充電能力開闢了新的途徑，超越鋅空氣系統。

無線雙極電極的創新設計

突破非導電的障礙，電池利用兩種不同的電極材料，通過一種僅運輸離子而非電子的電解質分隔。當電池啟動時，內部電場立即使金屬島極化，一側帶正電，對側帶負電。這種無線反應在電解質中創造出新的通道，加快了電荷運動並降低了內部電阻。最終結果是電能的流動顯著加快，更加高效，無需任何物理接線。Casañ-Pastor 表示：「通常，如果一種材料能在電解質中傳輸電子，就會導致短路，電池也就無法再存在。

令人驚訝的是，這些導體並不連接到任何設備：它們僅僅置於系統內部，儘管如此，它們仍能產生有益的效果，顯著改變功率或充電能力。」

提升電池效率的關鍵

鋅空氣系統便宜、無爆炸風險，並依賴地球豐富的材料。安全性是其強項，但速度一直是其短板。鋅空氣電池始終受到氧反應緩慢的制約，影響其功率輸出。研究團隊通過插入這些無線雙極電極，將內部電阻削減到正常水平的一小部分。因此，能量在系統中的移動速度大幅提升。整個電池的效率和速度顯著改善。在研究中，鉑（Pt）和鋅（Zn）被測試作為直接放置在電池液體電解質中的小金屬片，以充當無線雙極電極。

減少內部電阻，誘導的偶極矩使歐姆內部電阻降低了高達 64%，並進一步減少了電荷轉移電阻，促進了電池內部的能量流動。變更材料和幾何配置在關鍵電池指標上產生了顯著的性能提升。體積功率密度提升高達 80%，而極限電流密度增加超過 50%。該系統還實現了高達 300 mV 的過電位降幅，使能量傳遞更快且更高效。高功率鋅空氣電池為可再生能源電網儲存（如太陽能及風能整合）提供了一種環保的替代選擇，並完全依賴無毒、不可燃的化學成分。

研究人員表示，這一發展反映了電池優化的一個更廣泛策略，而不是單一固定的解決方案，並已在超越鋅空氣系統的其他儲能技術中觀察到類似的效益。研究人員將繼續探索這種無線雙極電極架構的新應用，以增強各種電池參數。該研究已發表在《能源儲存材料》期刊上。

項目	規格
內部電阻減少	高達 64%
體積功率密度提升	高達 80%
極限電流密度增加	超過 50%
過電位降幅	高達 300 mV

新型鋅空氣電池的潛在影響

鋅空氣電池因其安全性和環保特性受到重視，但其功率輸出一直受限於氧反應緩慢。這項新技術通過無線雙極電極的設計，大幅降低內部電阻，提升了能量傳遞速度，顯示出在可再生能源儲存領域的潛力。隨著對電池效率的進一步優化，未來可能會促進更廣泛的應用，特別是在太陽能和風能的整合中，為可持續發展提供新的解決方案。