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電池是我們日常生活中使用廣泛的物品之一，在便攜電源和動力電池領域中，堿性鎳鋅電池因具有能量密度大、功率密度高、安全性好、成本低等優(yōu)點而極具發(fā)展?jié)摿Α?月11日，記者從中國科學院大連化學物理研究所了解到，該所楊維慎研究員和朱凱月副研究員帶領的研究團隊在堿性鎳鋅電池研發(fā)方面取得新進展。
研究團隊提出了一種新型正極的設計策略，通過在氫氧化鎳正極上負載氧還原催化劑，制備出“可呼吸式”氫氧化鎳正極，顯著提高了鎳鋅電池的能量轉化效率和循環(huán)穩(wěn)定性。
氫氧化鎳是理想的鎳鋅電池正極材料之一，具有成本低、氧化還原電位高等優(yōu)點。然而在充電過程中，氫氧化鎳被氧化后生成羥基氧化鎳(NiOOH)。后者是良好的氧析出催化劑，容易在電極表面發(fā)生析氧副反應。
“傳統(tǒng)的鎳鋅電池不可避免地會產生氧氣，但是這些氧氣無法得到有效利用，導致電池的能量轉化效率低，并且循環(huán)穩(wěn)定性差。”楊維慎介紹說。
為此，研究團隊制備了一種新型的“可呼吸式”氫氧化鎳正極。“電池在充電的時候產生氧氣，類似于人體‘呼氣’的行為，而放電時消耗氧氣就像‘吸氣’一樣。在充電過程中正極產生的氧氣可以在放電過程中被氧還原催化劑利用，從而顯著提高鎳鋅電池的能量轉化效率和穩(wěn)定性。”朱凱月解釋道，“我們稱之為‘可呼吸式’正極。”
同時，電極和電解質均得到改善，電池的循環(huán)穩(wěn)定性也得到提升。在循環(huán)50小時后，傳統(tǒng)鎳鋅電池電解質中鋅的濃度從15克/升降到了8克/升，而“可呼吸式”鎳鋅(Ni-ZnAB)電池仍然保持穩(wěn)定。此外，傳統(tǒng)鎳鋅電池正極側的氫氧化鎳顆粒出現了嚴重的破裂脫落問題，而Ni-ZnAB電池正極側的顆粒仍維持良好的納米片形貌。
最終，組裝的軟包電池在2毫安/平方厘米的電流密度下能夠實現100小時的高穩(wěn)定性，且平均能量效率為85%，優(yōu)于傳統(tǒng)鎳鋅電池。在富電解液的體系中，Ni-ZnAB電池能夠實現長達500圈(250小時)的超高穩(wěn)定性，能量效率始終高于80%，最高功率達到98毫瓦/平方厘米，展示了Ni-ZnAB電池的重要應用潛力。
“該工作不僅開發(fā)出一種能夠利用鎳鋅電池副產物的‘可呼吸式’正極。”楊維慎介紹道，“同時，它還揭示了貧電解液體系堿性電池失效的根本原因，為高能量密度和高穩(wěn)定性鎳鋅電池的設計提供了新思路。”
下一步，研究團隊將增大“可呼吸式”正極活性物質和催化劑的載量，并重點解決鋅負極鈍化問題，以期最終獲得能實現高能量密度和高循環(huán)穩(wěn)定性的鎳鋅電池。
