清华张强Angew：水系锌空电池可以在0 ℃以下工作吗？

开发能满足低温工况的电池具有重要意义。目前广泛使用的锂离子电池低温性能不佳，同时低温析锂现象还带来了显著的安全隐患。因此，开发能够胜任低温储能的电池体系迫在眉睫。

近日，清华大学张强教授（点击查看介绍）团队系统地研究了水系锌空电池的低温性能。有趣的是，0 ℃以下的低温环境中（低至−40 ℃），水系锌空电池非但不会因为电解液凝固而失效，反而呈现出在低温储能方面的本征优势。

实验上，锌空电池具有良好的低温性能。不仅在−10 ℃下具有与室温下可比的电化学性能。同时，其低温工作的极限可低至−40 ℃。理论上，锌空电池的低温性能优势是物理化学规律作用的必然结果。具体地，溶液的依数性保证了高浓电解液的低凝固点；正极与负极反应的活化能分别极大和极小，都对应于反应动力学对温度的不敏感性（根据Arrhenius公式）；水系电解液中氢氧根离子的跳跃机制保障必要的离子电导率。

图1. 锌空电池的低温性能

为进一步提升锌空电池的低温性能，研究者随后从四个方面，排除或指认了限制其低温性能的短板：1）相图绘制结果表明电解液在该条件下未凝固；2）正极动力学受温度影响不显著；3）负极动力学几乎不受温度影响；4）低温下电解液电导率显著降低，其带来的欧姆极化，是限制低温性能的主要瓶颈。

图2. 限制锌空电池低温性能的因素解耦。(a, b) 正极动力学；(c, d) 负极动力学；(e, f) 电解液电导率。

为提升低温下电解液电导率，研究者调控电解液溶剂化结构，研究了具有不同碱金属阳离子的水系碱性电解液的性质。实验测试与理论模拟表明，碱金属的原子序数越大，低温下电解液离子缔合现象越不显著，离子电导率越高。因此，将目前基于氢氧化钾的电解液，更换为基于氢氧化铯的电解液，有望赋予锌空电池更佳的低温性能。

图3. 电解液的溶剂化调控：更换不同碱金属阳离子。

基于氢氧化铯的电解液赋予锌空电池显著提升的低温性能。具体地，在−10 ℃，锌空电池实现了稳定的500圈的5 mA cm⁻²长循环，电池极化仅0.8 V。以此电池装配的充电宝具有在低温下工作的能力，成功在冬季北京室外为手机充电，并在吉林冰封的松花湖湖面点亮LED灯泡。

图4 基于氢氧化铯电解液的锌空电池的低温性能及实用化场景展示。

该工作首次揭示了锌空电池在低温储能领域的巨大优势，并为满足低温等苛刻工况电池的开发提供了新的思路。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie上，文章的第一作者是清华大学博士研究生赵长欣。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Can Aqueous Zinc–Air Batteries Work at Sub‐Zero Temperatures?

Chang-Xin Zhao, Jia-Ning Liu, Nan Yao, Juan Wang, Ding Ren, Xiang Chen, Bo-Quan Li, Qiang Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202104171

作者简介

赵长欣 博士研究生

2019年本科毕业于清华大学化学工程系，张强教授课题组博士研究生。主要研究方向为高活性ORR/OER电催化剂的开发及其在二次金属–空气电池中的应用。

李博权，北京理工大学副研究员

2016年本科毕业于清华大学化学系， 2020年博士毕业于清华大学化学工程系，现任北京理工大学前沿交叉科学研究院副研究员。主要从事能源电化学相关研究，尤其是锂硫电池、金属锂电池、金属空气电池中的化学机制、材料构筑与器件应用等方面。在Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy. Environ. Sci., J. Energy. Chem.等期刊发表（共同）第一/通讯作者SCI论文20余篇，其中ESI前1%高被引论文6篇，授权中国发明专利4项。

张强，清华大学长聘教授、博士生导师

曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、教育部青年科学奖、北京青年五四奖章、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、清华大学刘冰奖。2017–2020年连续四年被评为“全球高被引科学家”。长期从事能源化学与能源材料的研究。近年来，致力于将国家重大需求与基础研究相结合，面向能源存储和利用的重大需求，重点研究锂硫电池、锂金属电池、电催化的原理和关键能源材料。提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂配合物概念，并根据高能电池需求，研制出复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。现担任国际期刊J Energy Chem副主编；Matter, Adv Funct Mater, ChemSusChem, J Mater Chem A, Sci China Mater等期刊编委。主持国家重点研发计划课题、自然科学基金、北京市科委重点项目等。在Adv Mater, Chem Soc Rev, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Energy Environ Sci, Nat Commun, Sci Adv等发表SCI收录论文200余篇。

张强

https://www.x-mol.com/university/faculty/21097 

课题组主页

https://www.qianggroup.com/wp/home/