可充金屬鋅-空氣電池由于高安全性、低成本（<10 $/kWh）和高理論能量密度（1086 Wh kg^-1）等特點(diǎn)成為備受關(guān)注的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，較差的循環(huán)壽命是限制可充金屬鋅-空氣電池規(guī)?；瘧?yīng)用關(guān)鍵因素。一方面，常用的堿性電解液易吸收CO₂形成不溶碳酸鹽，阻礙傳質(zhì)過(guò)程；堿性溶液中鋅負(fù)極在存在嚴(yán)重枝晶問(wèn)題，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命低下。另一方面，用于加快空氣正極氧電催化動(dòng)力學(xué)的雙功能催化劑在交替充放電過(guò)程中容易失效。

在此，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)張?zhí)烊桓苯淌谂c新加坡國(guó)立大學(xué)的Jim Yang Lee教授團(tuán)隊(duì)提出了一種”自解耦”策略，通過(guò)在單一空氣電極中構(gòu)建智能界面，使雙功能催化劑在充放電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)功能解耦，從而顯著催化劑的穩(wěn)定性。具體來(lái)說(shuō)，將導(dǎo)電性可調(diào)控的磺酸摻雜聚苯胺納米陣列（S-PANI）沉積于空氣電極的一側(cè)構(gòu)成智能界面，并將雙功能催化劑分為ORR-part和OER-part兩部分，ORR-part催化劑涂敷于S-PANI側(cè)朝向空氣，OER-part催化劑則涂敷于無(wú)S-PANI的另一側(cè)朝向電解質(zhì)。

在高電位條件下（充電過(guò)程），S-PANI智能層導(dǎo)電性很差，ORR-part催化劑由于較大的界面電阻而保持非活性，防止了ORR-part催化劑電氧化失效；而OER-part催化劑不受S-PANI的影響起主要加快氧析出反應(yīng)（OER）作用。在低電位條件下（放電過(guò)程），S-PANI智能層變得導(dǎo)電，ORR-part催化劑與S-PANI間的電子轉(zhuǎn)移通暢，此時(shí)活性受保護(hù)的ORR-part催化劑會(huì)起到促進(jìn)氧還原反應(yīng)（ORR）的作用。

圖1. ZnCo基/NCs的電催化性能

總之，該工作通過(guò)電沉積聚合方法，在空氣電極（碳紙）的一側(cè)制備磺酸摻雜聚苯胺（S-PANI）納米陣列。利用DC電子導(dǎo)電性測(cè)試、原位紫外可見光譜測(cè)試以及密度泛函理論計(jì)算證實(shí)S-PANI在高電位下導(dǎo)電性很差，而在低電位下具有很好的導(dǎo)電性，意味著S-PANI智能界面的導(dǎo)電性隨著電位的不同而改變，可用于現(xiàn)實(shí)催化劑性能在充放電過(guò)程中的”自解耦”。通過(guò)該設(shè)計(jì)，在連續(xù)的充放電過(guò)程中可避免雙功能催化劑活性受高電位的影響而降低。

基于智能界面空氣電極以及低成本ZnCo磷化物/氮摻雜碳雙功能催化劑組裝的“自解耦”弱酸性可充鋅-空氣電池可穩(wěn)定循環(huán)～1400小時(shí)，每循環(huán)能量效率損失率僅為0.015%，顯著優(yōu)于常規(guī)弱酸性可充鋅-空氣電池。因此，該項(xiàng)工作為解決交替氧化-還原過(guò)程引發(fā)的不穩(wěn)定性問(wèn)題提供了新思路，表明了智能納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于可持續(xù)二次電池發(fā)展的重要性。

圖2. “自解耦”弱酸性可充鋅-空氣電池的電化學(xué)性能

Self-Decoupled Oxygen Electrocatalysis for Ultrastable Rechargeable Zn-Air Batteries with Mild-Acidic Electrolyte, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c05845