柔性電子的蓬勃發(fā)展推動了可穿戴柔性儲能設(shè)備研究的熱潮。作為一種先進的儲能技術(shù)，鋅空氣電池系統(tǒng)具有成本低、安全性好、耐低溫、理論功率密度和能量密度高等優(yōu)點。此外，由于具有清潔無污染、安全性強、發(fā)電過程外泄信號低、發(fā)熱少、易制成可穿戴器件等優(yōu)點，鋅空氣電池必將在現(xiàn)代信息化設(shè)備特別是電動汽車產(chǎn)業(yè)建設(shè)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。近年來，發(fā)展耐低溫、輕便可穿戴、功率密度高的鋅空氣電池系統(tǒng)是現(xiàn)階段研究的重點。然而，發(fā)生在空氣正極的析氧反應(yīng)（OER）和氧還原反應(yīng)（ORR）涉及多步電子轉(zhuǎn)移過程且反應(yīng)動力學(xué)緩慢，極大地限制了鋅空氣電池的功率密度和能量的轉(zhuǎn)換效率。尤其是在極端工作條件下，催化反應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)進一步被降低。為促進鋅空氣電池在極端且惡劣條件下的應(yīng)用，探索高效且穩(wěn)定的OER和ORR雙功能電催化劑至關(guān)重要，但目前仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)性。因此，設(shè)計研發(fā)適用于極端低溫條件下、催化性能優(yōu)良且成本低的電催化劑，建立微觀/電子結(jié)構(gòu)調(diào)控和反應(yīng)機理模型，揭示組分-結(jié)構(gòu)-性能之間的構(gòu)效關(guān)系，以此為基礎(chǔ)開發(fā)高性能的低溫鋅空氣電池具有極大的科學(xué)意義和技術(shù)實踐意義。

近日，暨南大學(xué)王子龍副教授針對鋅空氣電池在低溫條件下循環(huán)壽命短、倍率性能差、低成本催化材料研發(fā)所面臨的瓶頸，對雙功能電催化劑的微納結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)等基礎(chǔ)科學(xué)問題展開研究。通過簡單的熱誘導(dǎo)質(zhì)量重構(gòu)策略來構(gòu)筑多層氧化物納米球，優(yōu)化催化劑的OH^–和O₂的傳輸和擴散效率。此外，通過有限元分析、原位測試分析技術(shù)和理論計算等手段揭示陰離子摻雜和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控對局域配位環(huán)境和反應(yīng)動力學(xué)的影響。以此為基礎(chǔ)，探索電子結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的雙調(diào)控策略對低溫條件下電池電化學(xué)性能的影響，解決了鋅空氣電池在低溫條件反應(yīng)動力學(xué)緩慢和電化學(xué)性能差的瓶頸問題。

圖1.有限元模擬分析多層球的層數(shù)對OH^–向O₂轉(zhuǎn)化傳質(zhì)的影響。

圖2. 氧化鈷多層空心球的合成及結(jié)構(gòu)表征。

圖3.陰離子P摻雜對內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)的影響探究。

圖4.低溫鋅空氣電池性能研究。

第一作者：雷航，三峽大學(xué)校聘副教授，暨南大學(xué)與新加坡南洋理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士。研究方向包括柔性可穿戴電池/二次離子電池/金屬空氣電池的關(guān)鍵電極材料設(shè)計，以及電催化劑在電解水制氫方面的應(yīng)用，主要針對于納米材料微觀結(jié)構(gòu)/電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，原位監(jiān)測技術(shù)開發(fā)，質(zhì)量/電子傳輸，中間產(chǎn)物吸附/脫附等性質(zhì)的優(yōu)化展開研究；目前已在包括Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Energy、InfoMat、Journal of Energy Chemistry等國內(nèi)外重要期刊上發(fā)表論文30余篇，四篇論文入選高被引論文（ESI1%），論文被引1600余次。

通訊作者：王子龍，暨南大學(xué)物理與光電學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，入選廣東省級人才計劃，主要研究方向為納米材料可控制備及其在醫(yī)工交叉領(lǐng)域的應(yīng)用、適用于工業(yè)條件的電催化劑設(shè)計、新型能源轉(zhuǎn)換儲存器件；以通訊作者/第一作者身份在國內(nèi)外高水平期刊發(fā)表論文50余篇，主持國家、省部級科研項目6項。

Lei H, Huangfu Z, Chen L, et al. Structure and defect dual-engineering of cobalt oxides for low-temperature Zn-air batteries. Nano Research, 2023,https://doi.org/10.1007/s12274-023-6331-5.