镍锌（Ni-Zn）电池近年来因其低毒性、可回收材料和高循环寿命而受到广泛关注。此外，它们的工作电压可达1.6 V [1]，高于镍氢（NiMH）电池，因此能够提供更大的输出功率。Ni-Zn电池适用于大规模能量存储，并可作为铅酸电池的替代品 [2]。由于其高电压，它们也被视为一次性碱性锌-二氧化镁电池的合适替代品 [3]。Ni-Zn电池由锌（Zn）负极、氢氧化镍（NiOOH）正极以及浸有氢氧化钾（KOH）的碱性溶液的多孔隔膜组成 [4]。研究表明，含有30% KOH的电解质具有最佳导电性 [5]。虽然已有研究开发出更大容量或部分/完全可流动的Ni-Zn电池 [1],[6],[7],[8]，但对于那些不会因大量液态电解质而带来风险的应用场景，传统的固定式电池仍然足够使用 [3,9]。
Ni-Zn电池的缺点在于其循环寿命期间可能发生多种退化机制 [10]。常见的退化现象包括锌电极的形变和枝晶生长 [11]，以及电解质分解产生的氢气（H2）和氧气（O2）在电极表面的释放 [12]。形变是指锌在循环过程中在负极内的重新分布，这会降低电池容量，主要是因为锌在KOH电解质中的溶解度。通过向负极添加氢氧化钙或使用钙锌酸盐作为电化学活性负极材料，可以部分缓解这一问题，从而提高锌在电解质中的稳定性 [13]。锌在碱性溶液中的溶解还会导致锌枝晶的生长，这些枝晶可能穿透隔膜并引起电池短路。在电极中添加氧化铋和电解质中的铋离子可以减少枝晶的形成 [14,15]。电解质中的水分解也是导致电池失效的原因之一，因为水在电极表面会发生电解 [16]。
寄生气体生成是许多电池化学体系（如锂离子电池、铅酸电池以及任何含有锌负极的电池）面临的问题 [17]。由于这一问题会影响各种电池类型的性能，因此阻碍了电池技术的进步 [18],[19],[20]。已有研究致力于表征电池产生的气体，以更好地理解其失效机制，从而为改进电池设计提供依据 [21]。Ni-Zn电池充电过程中产生的H2和O2气体要么溶解在电解质中并在电极表面重新结合，要么在电池内部积聚，导致压力增加。
为了减轻Ni-Zn电池中H2和O2气体的生成，人们采取了多种措施。例如，在电池上设置排气口以释放压力 [22]，但这会导致电解质干燥，从而降低电解质的导电性和电池容量 [23]。此外，由于H2在O2环境中的易燃性，这也存在安全隐患。主要采用三种方法来减轻Ni-Zn电池中的气体生成：（1）在电池中使用催化剂将H2和O2重新结合成水；（2）在电极和/或电解质中添加添加剂以减少气体生成；（3）使电解质在电池内流动 [16]。据报道，铟和铋等添加剂可以抑制H2的生成，而锂可以抑制O2的生成。这种做法也被应用于其他电池系统，如镍与其他金属（如锰）的组合电池 [24,25]。此外，还可以使用不同的催化剂（如铂）来实现可控的气体重组，自Ni-Zn电池研究初期以来，这种催化剂就被广泛应用于多种电池体系。早期关于Ni-Zn电池气体生成的研究集中在Ni-Zn流动电池中，量化了两种气体的生成情况，并发现控制两侧的浓度极化对于减轻这些副反应的影响非常重要 [16]。另一项研究在纽扣电池中进行了实验，通过在第一次充电/放电时使用不同的电流，并在每个电极中加入氧化锌和氢氧化镍作为缓冲剂，试图减少两种气体的生成 [3]。也有研究对水基电池的气体生成进行了建模 [26]，虽然考虑了物理效应，但未涉及气体重组的影响。
Ni-Zn电池的一些失效机制与气体生成有关。例如，锌金属在电解质中的腐蚀（称为自放电）会产生H2气体 [27]。此外，充电过程中锌负极处的水电解也会产生H2气体，从而改变电极表面的局部pH值，促进氧化锌（ZnO）和氢氧化物副产物的生成，增加电极电阻，阻碍活性物质的扩散，并通过形成高能量障碍减缓沉积过程。
本研究将详细使用四极杆质谱仪表征Ni-Zn电池在充电过程中的气体生成行为。电池配备了一个铂制重组线圈，以帮助减轻H2和O2气体的生成。通过测量电池电压、总气体压力以及H2/O2分压随时间的变化，来更好地了解循环过程中气体生成的本质。我们创建了一个计算模型，模拟Ni-Zn电池的电化学和物理过程，以预测充电过程中的气体生成行为。本研究的目标是了解导致气体生成的原因及其影响因素，这需要通过模型与实验结果在相同条件下的对比来实现。
