盖世汽车讯 锌空气电池（ZAB）因其诸多优势被认为是极具潜力的下一代电池技术。该种电池采用独特的半开式结构，并具有超高理论能量密度（在含氧和不含氧的情况下分别为1,036 Wh kg-1和1,370 Wh kg-1）、柔性电极和固有的水性电解质。此外，与电池中的其他材料相比，锌（Zn）对环境的危害较小，并且存储量更丰富。

据外媒报道，近日，韩国汉阳大学的研究人员设计出一种新型锌空气袋式电池，其性能优于市面上的其他电池。该袋式电池采用（101）-小平面磷化铜[CPS（101）]作为阴极、抗冻性壳聚糖生物纤维素作为超离子导体电解质，以及采用图案化的Zn作为阳极。

研究人员之一Jung-Ho Lee表示：“之前采用液体（6毫升KOH氢氧化钾）电解质的ZAB均以失败告终，其原因是氧化还原和析氧反应（ORR / OER）的动力学缓慢，以及在宽温度下伴随着寄生反应的Zn的不可逆性。受该特点启发，我们开发出固态电解质，例如功能化的生物纤维素，从而能够有效地转移OH-离子，而不会发生寄生反应。”

之前的工作中，Lee及其同事创建出基于FBN（纤维蛋白）的电解质，其在室温下可显示出64 mS cm-1的高离子电导率。但是，研究人员发现，由于与水冻结和体积膨胀相关问题，该电解质在零度以下和高温情况下会失去作用。

因此，研究人员建议使用壳聚糖细菌纤维素（CBC）作为阴离子交换的固态电解质。该电解质主要由生物纤维素和壳聚糖组成，然后交联2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）和1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷（DBO）季铵键。

Lee表示：“我们采用了两个关键过程，TEMPO氧化和DBO季铵化，可显著改善电池的抗冻特性，以及抗溶胀性、交联相容性和抗离子性。CBC内部还存在水，且可进行转移。但其形式是是分子水，而不是液态水。因此，即使在-20°C的温度下，我们也可以获得出色的电池性能和良好的稳定性。”

Lee及其同事还制造出基于CBC的膜电解质。该电解质使用氢氧化物溶液进行离子交换，从而显示出比常规碱性电解质更低的pH值。研究人员制备的纳米纤维CPS（101）是专门为囊袋细胞应用而合成。

Lee表示：“由于CPS（101）的最佳化学计量比为C：P：S = 1：0.5：0.5，因此化学计量比的变化会严重影响电池运行期间的电化学性能。磷和硫阴离子在空间上与铜阳离子具有同等配位（相同数量的Cu-S和Cu-P键）共轭，并在之后的循环中保留相当稳定的短程和长程有序结构。”

在该锌空气袋式电池运行期间，如果FBN膜无法形成固体电解质中间相（SEI），则CBC会生成坚固的SEI层，从而延长循环寿命。此外，CBC还会保护阳极表面免受腐蚀和产生副反应。与使用水性电解质或其他固态电解质的电池相比，该锌空气电池可以延长循环时间。

Lee还称：“室温下，锌空气电池优异电导率（86.7 mS cm-1）为目前氢氧根超导体的最高值，相当于商用A201的两倍。即使在干燥的-20℃的低温下，也可以简单地浇铸5 µm、900 cm2的CBC膜，并具有出色的机械稳定性，而FBN、A201或聚砜则容易降解成小碎片。”

下一代电池的一般要求是：电芯组级能量密度> 300 Wh kg-1、75美元kWh-1、可在15分钟内充满电（至少充至80％），以及可在超宽温度范围内运行。为了上述要求，电池设计人员必须克服一系列限制，同时还要确保电池安全、电化学/机械稳定，此外还可由丰富且易于回收利用的材料制成。

Lee表示：“大多数锌空气电池都遵循5-10％放电深度（DOD）的浅循环，其电池能量无法和锂离子电池相比。尽管之前很少有报告保留35 mWh cmgeo-2所需的面积能量，但它们的循环寿命被限制在100次以下，而DOD被限制在5-10%。要想获得120 Wh kg cell-1的特定能量，DOD需要至少为20%，然而之前的电池并没有遵循商用电池所需的最低标准。”

Lee表示：“通过优化电芯参数，我们的袋式电池在电流密度为25 mA cm-2的情况下，以70％DOD的350次循环显示出最高的电池级能量密度523±15 Wh kgcell-1（体积能量密度为1609±35 Wh l-1）。此外，我们还表明，通过采用双极堆叠技术（增加堆叠数量），在约20 Ah的袋式电池容量下，体积能量密度可以进一步提高至1800 Wh L-1。每次充电可支持续航里程800-900英里，且在15分钟内充至100％，里程耐久性达到约100万英里。”

经进一步测试后，新型锌空气袋式电池可实现大规模生产。Lee和他的同事们表示该电池还可被用于为无人机、电动汽车或电动短途飞机提供动力。

Lee补充说：“我们现在正在简化CPS（空气阴极）和CBC（固体电解质）的合成配方，从而扩大生产规模。我们的ZAB工作温度为-20至80℃，但我们正试图扩大其工作温度范围。此外，我们将考虑使用铝替代锌来评估铝空气电池的潜力。”