可以“弯曲”的电池

期次:第929期    作者:□校报记者团 陈嘉琪   查看:182



  化学化工学院席聘贤教授指导的“新能源 新 梦想——便携式柔性固态锌空电池”项目于第四届“互联网+”大学生创新创业大赛甘肃省赛选拔赛中斩获金奖。2018级博士研究生路旻为团队负责人,团队成员王睿、殷杰、李煜旋、孙轲、王玮均为无机化学专业研究生。
  锌空电池是主要由电解质、催化剂和金属锌三部分组成的半开放体系电池。其基本工作原理为泡在电解质溶液中的锌条与电解质溶液中的氢氧根离子发生反应,与此同时,空气中的氧气在催化剂的作用下还原成氢氧根离子,发生电子和电荷转移从而产生电流,即产生氧气和氧气还原这一对反应组成的循环过程,这可以类比为一个趣味小实验即水果电池,将一个铜片和一个锌片插到柠檬里,所产生的电流就能点亮一个灯泡。
  简单来说,锌空电池中的锌与氧气就相当于插在柠檬中的铜片和锌片,电解质溶液就相当于柠檬,它的作用是将氧气与锌各自的反应连接在一起。充电过程则是通过外部施加的电流,将溶解在电解质中的锌离子重新变回单质锌,然后把氢氧根离子氧化变成氧气。除此之外,因为氢氧根离子与氧气不会主动转化,因此在锌空电池结构中比较重要的,也是实验室目前研究的主要一个领域就是正极催化剂。催化剂能够降低氧气还原与氢氧根离子氧化过程所需要的能量,增强反应活性,提升电池性能。
  实际上,锌空电池的发展应用历史已经有一百多年,其本身具有比容量高、成本低廉且能提供平稳电压等优良特点。早年,大功率锌空气电池曾应用于灯塔等大型设备中,海水作为天然溶液,只要将锌和另一个催化剂泡在水里就能够为灯塔提供稳定的电源供应,但锌空气电池本身也存在诸多缺陷。
  固态锌空电池对这些缺陷有了一定的弥补,加之近几年学术界对于提高锌空电池性能方面的大量研究,使得锌空电池的未来发展成为可能,但目前并没有具体能够商业化的产品,目前团队所研发的便携式柔性固态锌空电池还属于一个具有创新意义的概念性产品。
  在这样的背景之下,路旻所在的实验室开始了对便携式柔性固态锌空电池的研究。在研究过程中,成员们关注到近几年电池领域柔性化、固态等方面的发展,因此在原有基础上不断改进提升,形成了兼具固态、柔性、便携的锌空电池概念性产品,目前的主要研究领域集中在柔性化和催化剂两个方面。
  团队研发的锌空气电池可以做到0度到360度范围内任意角度的弯曲和适当的折叠,拉伸可以做到拉长百分之三十左右。保持弯曲状态下电池的基本性能不会有太大影响,拉伸状态下的电池因为会对电池结构造成影响,状态会稍微差一些。在电池比容量方面,我们常用的商业化锂电池的比容量一般在100-200mAh/g,而锌空气电池则能够做到600-700mAh/g。在电池稳定性方面,电池充电放电的过程算一次,团队研发的锌空电池目前在国内属于中等偏上的水平,可以做到充放电300-500次之后,和最初相比,还能存有80-90%的电量。在固定的消耗电量范围内,充放电的次数越多,代表电池的稳定性越高。
  路旻说道,要想商业化需要满足三个基本要求,一是电池要稳定能禁得起长时间的使用,二是成本低廉才能广泛推广,三是量产。目前市场上已经有南孚等厂家生产的传统锌空电池,之后如果要实现商业化主要指的是柔性锌空电池方面。路旻表示,这方面需要考虑的问题就更多了,比如柔性化电池的稳定性,安全和成本问题。他说:“对于锌空气电池来说,最重要的就是他的催化剂。”而目前实验室所制作的催化剂是出于研究角度的小规模合成和制备,如果放到大规模的量产角度就需要考虑更实际的问题。