研究人員成功利用太陽能提高鋅-空氣電池的性能

理論上，它們符合下一代二次電池所需的所有特征，如：高能量密度、低爆炸風(fēng)險(xiǎn)、不排放污染物的生態(tài)友好性和低材料成本（鋅和空氣，可以很容易地從自然界獲得）。

韓國科學(xué)技術(shù)院（KIST）宣布，其由Joong Kee Lee博士（儲(chǔ)能研究中心）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一項(xiàng)利用太陽能改善鋅空氣電池電化學(xué)性能的技術(shù)，這正在成為二次電池領(lǐng)域的一個(gè)新的研究和發(fā)展領(lǐng)域。

研究小組開發(fā)的電池利用了一種具有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的光活性雙功能空氣-電催化劑，該催化劑具有交替的能級(jí)，可顯著提高產(chǎn)生產(chǎn)生電力的氧還原反應(yīng)（ORR）和氧進(jìn)化反應(yīng)（OER）的速率。光活性雙功能催化劑是一種通過吸收光能來加速化學(xué)反應(yīng)的化合物，與傳統(tǒng)的鋅-空氣電池催化劑相比，其光吸收能力有所提高。

在使用金屬和空氣作為電池陽極和陰極的鋅-空氣電池中，必須交替進(jìn)行OER和ORR，以實(shí)現(xiàn)作為陰極活性材料的氧氣的電能轉(zhuǎn)換。因此，由碳材料制成的正極集流器的催化活性是決定鋅-空氣電池能量密度和整體電池效率的重要因素。

因此，KIST研究小組把重點(diǎn)放在p-n異質(zhì)結(jié)上，這是太陽能電池和半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)單元，作為改善鋅-空氣電池緩慢催化活性的措施。其目的是通過利用半導(dǎo)體中發(fā)生電子運(yùn)動(dòng)的界面特性來加速氧氣的產(chǎn)生-還原過程。為此，合成了一種具有異質(zhì)結(jié)帶隙結(jié)構(gòu)的陰極材料，其中包括n型半導(dǎo)體（石墨氮化碳，g-C3N4）和ap型半導(dǎo)體（銅摻雜的ZIF-67（Zeolitic Imidazolate Framework-67），CuZIF-67）。

圖為光照增強(qiáng)型鋅空氣電池的持久性研究，由兩個(gè)串聯(lián)的CZ基RZB供電的LED屏幕。

在電流密度為2mA cm- 2的情況下，CZ基鋅空氣電池的長期電致伸縮充放電曲線，放大了暗區(qū)、暗-光轉(zhuǎn)換區(qū)和亮區(qū)，循環(huán)次數(shù)達(dá)1000次。

此外，為了確認(rèn)具有p-n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的光活性雙功能催化劑的商業(yè)潛力，科研人員在沒有光線的真實(shí)世界條件下進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，該催化劑具有交替能量水平。原型電池顯示出731.9 mAh gZn-1的能量密度，與現(xiàn)有鋅空氣電池的最佳性能相似。在有陽光的情況下，能量密度增加了約7%，達(dá)到781.7 mAh gZn-1，并且循環(huán)性能極佳（334小時(shí)，1000次循環(huán)），在已知的催化劑中表現(xiàn)出最佳性能。

Lee博士說："利用太陽能不僅是提高二次電池電化學(xué)性能的重要部分，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)社會(huì)的重要部分。我們希望這項(xiàng)技術(shù)將成為一種催化劑，刺激半導(dǎo)體物理學(xué)和電化學(xué)方面新的融合技術(shù)的發(fā)展，此外還能解決作為鋰離子電池替代品而出現(xiàn)的金屬空氣電池的困難"。