物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (6): 2307017.doi: 10.3866/PKU.WHXB202307017
综述 上一篇
王梦茵1,2, 黄若贝2,3, 熊剑峰1,2, 田景华1,2,*(
), 李剑锋1,2,*(
), 田中群1,2
收稿日期:2023-07-11
修回日期:2023-08-18
录用日期:2023-08-22
发布日期:2023-11-29
通讯作者:
Email: jhtian@xmu.edu.cn (田景华)Li@xmu.edu.cn (李剑锋)
基金资助:
Meng-Yin Wang1,2, Ruo-Bei Huang2,3, Jian-Feng Xiong1,2, Jing-Hua Tian1,2,*(
), Jian-Feng Li1,2,*(
), Zhong-Qun Tian1,2
Received:2023-07-11
Revised:2023-08-18
Accepted:2023-08-22
Published:2023-11-29
Contact:
Email: jhtian@xmu.edu.cn (Jing-Hua Tian)Li@xmu.edu.cn (Jian-Feng Li)
Supported by:摘要:
在化石能源日益短缺、资源消耗急剧增加的背景下,开发可再生的清洁能源,如太阳能和风能,变得尤为重要。然而,这些清洁能源供应不稳定,因此需要大规模能源转换和储存装置的发展。在这方面,锌-空气电池能量密度高、安全性好、成本低、易组装、对环境友好并且金属锌储量丰富,作为能源储存与转换器件有良好的发展前景,但在应用的过程中仍存在一些问题。其中,隔膜在锌-空气电池中起着隔离正负极,防止短路的重要作用,但关于锌-空气电池隔膜及其改性的研究较少。本文简要介绍了锌-空气电池的发展,以水系碱性锌-空气电池为例,阐述了其工作原理。文中通过理解电池各个组件可能导致电池失效的机制,重点分析了隔膜性能对整体电池性能的影响。其中包括隔膜的离子选择性、离子导电性、稳定性以及保水性等因素。这些因素在锌-空气电池中起到至关重要的作用,直接影响电池的效率、寿命和稳定性。此外,本文还对锌-空气电池隔膜未来发展方向进行了展望。随着科技的进步,锌-空气电池的隔膜材料可能会进行更多的改良和创新,以提高电池的性能和稳定性。对于清洁能源的推动,锌-空气电池在能源储存和转换领域有望发挥更大的作用。
王梦茵, 黄若贝, 熊剑峰, 田景华, 李剑锋, 田中群. 锌-空气电池隔膜的关键作用及其最新研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(6), 2307017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307017
Meng-Yin Wang, Ruo-Bei Huang, Jian-Feng Xiong, Jing-Hua Tian, Jian-Feng Li, Zhong-Qun Tian. Critical Role and Recent Development of Separator in Zinc-Air Batteries[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40(6), 2307017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307017
表1
电池中隔膜材料的重要参数60"
| Parameter | Description, target value | Property |
| Thickness | Separator thickness < 25 μm | Mechanical |
| Tensile strength | ≈ 95 MPa | |
| Puncture strength | > 300 g/25.4 μm | |
| Gurley | Air permeability ≈ 25 s·mL−1 | Electrochemical |
| MacMullin number | Resistance ratio, ≤ 11 | |
| Wettability | Fast and complete wetting in electrolytes | |
| Chemical stability | Long term stability in batteries, ≈ 10 years | |
| Pore size | Small pores that direct electrode contact is avoided, < 1 μm | |
| Porosity | Volumetric separator ratio with and without pores, ≈ 40% | |
| Dimensional stability | Shrinkage at 200 ℃, < 5% | Thermal |
| Shut down temperature | 130 ℃ |
表2
隔膜性质及其在锌-空气电池中应用性能"
| Separator | Diffusion coefficient of [Zn(OH)4]2− (cm2·min−1) | σ(OH−) (S·cm−1) | Stability | Mechanical property | Performance | Ref. |
| PPO–TMA | 1.13 × 10−8 | 1.737 × 10−2 | chemical: soaked in KOH, 7 mol·L−1 solution for 150 h at 30 ℃ thermal: ~180–250 ℃ electrochemical: stability window was measured to be 4 V | – | 803 mAh·gZn−1 932 mWh·gZn−1 (15 mA·cm−2 at 0.9 V cut-off voltage) | |
| PBE(Nafion-PVA/PAA) | 4.1 × 10−7 | 6.6 × 10−3 | Good electrochemical stability | tensile modulus 973.1 MPa | ~41.6 h (20 mA·cm−2, 10 min each cycle) | |
| PVA/PAA | – | 0.301 | Stable in Al|PVA/PAA|Al cell with cyclic sweeping range from −1.5 to +1.5 V | – | 50 mW·cm−2 | |
| RDC/N-PAA/KOH | – | 0.430 | −0.8 – +0.8 V | tensile strength 381.43 kPa | round-trip efficiency (69.36%) and longer cycle times (11 h). 40.25 mW∙cm−2 and 731.5 mAh∙g−1 (2 mA∙cm−2) | |
| PAM-based AGEs | – | 0.2156 | – | repeatable mechanical bending and pounding | 105 mW∙cm−2 140 cycles (~23.3 h) (5 mA∙cm−2, 10 min each cycle) | |
| CCNF-PDIL SSEs | – | 0.2865 | – | maximum stress of 105 MPa by virtue of the reinforced concrete architecture | 720 cycles (240 h) (2 mA·cm−2, 10 min each cycle) 135 mW∙cm−2 (current density of 220 mA·cm−2) | |
| BC/PVA | – | 8.08 × 10−2 | high thermal/chemical stability | tensile strength 0.951 MPa | 650 cycles (> 440 h) (0.5 mA·cm−2, 40 min per cycle) | |
| TEAOH-PVA | – | 3.0 × 10−2 | better thermal stability than the KOH-PVA electrolyte | good mechanical flexibility | 74.1 mW∙cm−2 Over 30 h (20 min, 5 mA⋅cm−3) Shelf Life: 15 days | |
| Celgard®3501 (reference) | 2.324 × 10−5 | 1.28 × 10−2 | Non stable in −0.9 – 0.9 V (vs. Pt/Pt2+) | Tensile Modulus 751.4 MPa | 15 h (20 mA·cm−2, each cycle 10 min) |
| 1 |
doi: 10.1039/d2ee02440c |
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| 8 |
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