基于乙腈有机电解质的锌空气液流电池的开发

《Journal of Power Sources》：Development of a zinc-air flow battery with acetonitrile-based organic electrolyte

锌空气流电池采用非水溶性丙酮氰（ACN）-Zn(ClO4)2电解质，通过低粘度溶剂加速Zn2+传输，形成稳定溶剂化结构抑制副反应。实验显示该体系在硬币电池测试中具有0.92V的低极化差和360小时稳定循环，流电池架构支持高电流密度运行，实现53.3mW/cm2峰值功率密度和近理想充放电效率。

　　

白承荣|昌丹·昌德鲁·古达尔|李哈琳|金相允|孙允娜|基桑·切特里|尤皮尔·J.|金正奎|钟昌华

韩国顺天大学（SKKU）化学工程学院，水原，16419

摘要

可充电锌空气电池由于其高理论能量密度、成本效益和环境友好性，成为下一代储能系统的有希望的候选者。然而，传统的水性碱性电解质存在一些缺点，包括氢气释放、电极腐蚀和有限的电化学窗口，这些缺点阻碍了它们的长期稳定性和应用。我们报道了一种使用非水性乙腈（ACN）基电解质和Zn(ClO₄)₂盐的锌空气流动电池。ACN的低粘度和适中的介电常数促进了Zn²⁺的快速传输和容易的脱溶，而光谱分析显示了强Zn²⁺-ACN相互作用，形成了稳定的溶剂化结构。树枝状的Zn阳极和基于碳的空气阴极增强了界面动力学，使得Zn的沉积/剥离和氧气电化学反应成为可能。在纽扣电池测试中，Zn(ClO₄)₂-ACN电解质表现出低极化间隙（ΔV ≈ 0.92 V 在 0.1 mA cm^?2）和超过360小时的耐用循环性能。流动电池架构允许在高电流和与应用相关的条件下进行评估。这种优化的流动电池提供了53.3 mW cm^?2的峰值功率密度，并且能够稳定运行200小时，具有近乎理想的库仑效率。这些结果表明，基于ACN的有机电解质可以克服水性系统的局限性，为开发实用的锌空气流动电池提供了可行的途径。

引言

由于全球变暖导致的气候变化造成的破坏每年都在加剧。此外，全球能源需求不断增加，导致化石燃料消耗持续增加，而化石燃料仍然是主要的能源来源[1,2]。化石燃料的燃烧增加了二氧化碳的排放，这是一种温室气体，从而加速了全球变暖[3,4]。因此，人们对清洁替代能源（如水力发电、风能和太阳能）的兴趣也在增加[5]。

然而，这些替代能源也有缺点，例如能源生产的不连续性，这就需要储能系统（ESS）[6,7]。特别是目前主导ESS技术的锂离子电池（LIBs）存在成本高、资源稀缺和安全问题等限制，这限制了它们满足快速扩张的ESS市场未来的需求[8,9]。在这种背景下，可充电锌空气电池（ZABs）因其高理论能量密度（1086 Wh kg^?1）、成本效益和环境友好性而受到关注[[10], [11], [12]]。特别是，对清洁能源存储技术的全球需求增长增加了人们对ZABs的兴趣，因为ZABs可以克服上述LIBs的局限性[13,14]。此外，电动汽车市场的快速增长和对大规模电网储能设备的需求推动了具有更高能量密度和更好安全性的电池技术的发展[15]。基于传统水性碱性电解质的ZABs存在一些限制，如氢气释放反应（HER）、电极腐蚀、枝晶形成和狭窄的电位窗口，这些限制了它们的循环寿命、能量效率和实际应用[16,17]。为了解决这些问题，最近人们开始关注非水性有机电解质，这些电解质可以最小化HER和腐蚀，增强锌金属阳极的可逆性，并提供更宽的电化学稳定性[[18], [19], [20]]。

在锂离子电池中，已经广泛研究了各种有机电解质，如N,N-二甲酰胺（DMF）[21,22]、二甲基亚砜（DMSO）[23]、碳酸丙烯酯（PC）[24]、乙二醇（EG）和乙腈（ACN）[26]，以克服水性电解质的局限性。在ZABs的情况下，Yu等人使用由Zn(OTF)₂和DMF组成的非水性电解质，并通过一种Zn²⁺迁移到阴极并作为ZnO沉淀的反应路径，而不是主要依赖于ORR/OER，证明了超过480小时的稳定运行[27]。整体反应路径如反应（1）所示。