傳統(tǒng)的兩電極鋅空氣電池（C-RZAB）面臨兩個主要問題：（1）空氣電極中催化劑的氧還原（ORR）和氧析出（OER）反應的動力學矛盾和高電位催化劑易氧化，往往在極低的每圈循環(huán)容量條件下獲得長循環(huán)壽命。（2）鋅負極中存在鋅枝晶、析氫副反應和鋅腐蝕等問題，往往在極低的放電深度條件下獲得長循環(huán)壽命。
低的每圈循環(huán)容量和鋅負極放電深度，使得鋅空氣電池的能量密度遠遠低于其理論能量密度。因此，鋅空氣電池正極和負極協(xié)同改善后，提高鋅空氣電池每圈循環(huán)容量和鋅負極放電深度是提高鋅空氣電池實用性的首要任務。
在此，清華大學深圳國際研究生院成會明、周光敏、李佳提出將空氣電極去耦合為一個疏水的放電電極和一個親水的充電電極，改善充放電過程氣-液-固三相界面和防止催化劑氧化，提高鋅空氣電池的倍率性能和每圈循環(huán)容量。
此外，作者還提出采用耐堿腐蝕的無鋅負極，抑制鋅枝晶和抑制產(chǎn)氫副反應，提高鋅負極放電深度。最終在正極和負極優(yōu)化改進下，鋅空氣電池實現(xiàn)了超高每圈循環(huán)容量和超長循環(huán)壽命。
圖1. 基于 CF@Sn、F-Ni27Fe10 LDH 和 FeNC 的 T-RZAB 的電化學性能
具有來說，該工作設計的三電極RZAB（T-RZAB）具有一個無鋅負極和兩個用于ORR和OER的獨立正極，每個正極中的催化劑在放電和充電的最佳動力學和熱力學條件下工作。其中，鍍錫銅泡沫(CF@Sn)被用作無鋅負極，其誘導（002）Zn平面的生長，其抑制Zn枝晶的形成、析氫反應（HER）和自放電。鋅被電沉積在CF@Sn并在T-RZAB的充電過程中從電解質中分離出來。
此外，通過原位光學顯微鏡得到：去耦正極對T-RZABs中的ORR和OER都具有快速動力學。結果顯示T-RZAB在空氣中10 mA cm-2的電流密度下具有800 mAh cm-2的高循環(huán)容量、0.66V的放電/充電平臺之間的低電壓間隙、88.1%的高DOD和5220h的超長循環(huán)壽命。
此外，按比例放大的T-RZAB每次循環(huán)的放電容量為10安時（Ah），長循環(huán)壽命為1080h。T-RZAB電池組的總能量為895.8瓦時（Wh），能量密度為151.8 Wh kg-1，遠高于商用水系電池。
因此，該工作為電動汽車和大規(guī)模電能存儲設計具有超長循環(huán)壽命和高能量密度的RZAB指明道路。
Rechargeable zinc-air batteries with an ultra-large discharge capacity per cycle and an ultra-long cycle life, Advanced Materials?2023 DOI:?10.1002/adma.202301952
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