中科大《AM》：实现强大稳定性的高功率密度锌空气燃料电池

金属空气燃料电池由于其高能量密度、生态友好和低成本而成为下一代储能系统必不可少的。但是，金属空气燃料电池的低功率密度和脆弱的稳定性严重阻碍了它们的大规模应用。特别是对于未来的智能电网来说，高效、稳定的电源输出对于应急备用电源必不可少。这些缺点主要归因于空气电极上发生的缓慢的四电子氧还原反应（ORR）。

尽管已经投入了大量资金来制造高效和非贵金属电催化剂以改善其催化活性和稳定性，在空气电极上实现稳定有效的ORR仍然是一个挑战。具有高能量密度、生态友好和低成本的金属-空气燃料电池为未来的电力系统带来了显着的高安全性。然而，低功率密度和高电流密度稳定性的迫在眉睫的挑战限制了它们的广泛应用。

为此，来自中国科学技术大学的Tianpei Zhou等人在《Advanced Materials》上发表题为“纳米孔电催化剂优化具有高稳定性的超高功率密度锌-空气燃料电池的三重传输”的文章。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202003251

在这项研究中，突出了具有强大稳定性的超高功率密度Zn-空气燃料电池。从受限纳米孔的耐水效应中受益，高活性钴簇电催化剂驻留在特定的纳米孔中，并具有稳定的三相反应区，从而实现了电子传导、氧气扩散和离子迁移的协同优化，最终进行电催化。结果显示，所建立的锌空气燃料电池在高电流密度放电（在100 mA cm-2下>90 h）下表现出最佳的稳定性，并具有出众的功率密度（峰值功率密度：> 300 mW cm-2） ，比功率：500 Wgcat-1）与大多数报道的非贵金属电催化剂相比。这些发现将为高级金属空气燃料电池系统的电催化剂的合理设计提供新的思路。

图1.纳米孔中的钴簇示意图

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图2.电催化性能示意图

图3.锌空气燃料电池各项示意图 a）锌空气燃料电池及其空气电极的示意图。b）Co / PC和Co / CNT产品的比电导和静态水接触角测量。c）含Co / PC，Co / CNT和Pt / C的锌空气燃料电池的极化和功率密度曲线。c）含Co / PC，Co / CNT和Pt / C的锌空气燃料电池的极化和功率密度曲线。d）电流密度为0至150 mA cm-2的基于Co / PC的锌空气燃料电池的放电曲线。e）与以前的工作相比，最大比功率和相应的放电电流密度。f）在100 mA cm-2下基于Co / PC的燃料电池的长期放电曲线

图4.纳米孔连接效应示意图。 a）扩大的催化层的纳米孔结构示意图。 b）涌入各种纳米孔的水的毛细作用记录为时间的函数。 c）从纳米孔扩散到水库的离子数量随时间变化，随纳米孔大小的变化而变化。 d）归一化的渗透阻力（左纵坐标）和离子扩散率（右纵坐标）与纳米孔尺寸的关系。

图5.局部结构分析示意图

本文成功展示了具有强大稳定性的高功率密度Zn-空气燃料电池。受益于纳米孔连接效应，特定纳米孔中的电催化剂形成了丰富的稳定的气-固-液三相反应区，从而提高了传质能力，这充分利用了活性位点和强大的稳定性。正如预期的那样，已建成的Zn-空气燃料电池在100 mA cm-2的高电流密度下具有300 mW cm-2以上的超高功率密度和90个小时以上的长期耐用性，这表明了它具有很强的商业应用的发展前景。这项研究将大大加速高性能金属空气燃料电池的开发。（文：SSC）

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