基于可再充电多价金属离子电池的储能装置由于多价阳离子的使用及其相关的多电子转移过程而引起了相当大的关注。可充电碱性锌（Zn）基电池由于其固有的优点，包括电化学性能、成本效益和安全性，具有重要意义。尽管如此，其能量密度较低和较差的循环寿命通常限制了其电网规模的应用。虽然开发高性能正极通常是提高电池能量密度和寿命的有效方法，但设计具有多种电化学反应的储能装置被认为是一种更有效的电势策略。以水性碱性镍锌（Ni–Zn）电池为例，由于相似的电解质系统和匹配良好的放电电压平台，锌-空气电池可以在技术上集成与碱性镍锌电池的电化学反应。可以构建包含两步电压平台的混合锌电池，以潜在地增加能量密度。碱性镍-锌电池也可以缓解锌-空气电池不理想的功率密度和有限的应用场景。因此，混合锌电池在理论上是一种双赢的组合。

尽管上述混合电池的成功构建和相关的性能改进，但锌-空气电池领域的问题，特别是由于气体扩散层（GDL）和正极的不完美匹配而导致的电催化反应动力学缓慢，仍然严重限制了混合锌电池的输出比容量和能效。混合锌电池中活性材料层顶部的额外GDL对于形成包含氧（气相）、催化剂（固相）和电解质（液相）的三相界面至关重要。然而，额外的GDL通常与正极不完全匹配，使得三相界面被限制在活性材料层和GDL之间的狭窄空间内。此外，尽管锌-空气电池的界面接触和活性位点的数量可以通过维度的增加来改善，但界面反应通道的无序性质仍然限制了反应气体和产物的有效传输，导致不理想的气体反应动力学和电解质传质。克服反应界面在转移途径方面的缺陷对于改进混合锌电池至关重要。

近日，浙江农林大学庞亚俊和陈浩团队合作提出，从松木的天然结构中开发了新的、连续取向的正极三相界面通道。将松木片碳化并不对称负载亲水活性材料，以实现木材衍生正极的产生，该正极集成了活性材料、集流体，以及连续定向的三相反应界面通道，这使得反应动力学得以加速。因此，组装的准固态混合电池产生了0.6–2.0 V的宽工作电压范围和56.5 mAh g^–1 at 1 mA cm⁻²的优异比容量，除了卓越的能量密度（644.7Wh kg^–1）和良好的耐用性外。相对于镍-锌电池，作者提出的混合电池的容量提升了约370%，是目前性能最好的碱性锌电池之一。

该成果以题目为“Wood-derived continuously oriented three-phase interfacial channels for high-performance quasi-solid-state alkaline zinc batteries”的文章发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》。

【图1】比较（a）具有不完全匹配和无序转移特征的传统三相界面通道和（b）具有一维定向转移特征的连续取向三相界面通道（相应的SEM图像在其右侧）。通过光学显微镜直接观察在电解质渗透之前（c）和之后（d）正极中连续取向的三相界面通道。

【图2】(a) 松木切片和(d) CNSOH@WDC-45样品的光学照片；(b) CNSOH@WDC-45的制备程序示意图；(c) WDC-45的光学照片和SEM图像。(e) CNSOH@WDC-45的亲水性和(f) 疏水性侧面的SEM图像；(g, h) 两侧对应的接触角；(I, j) CNSOH@WDC-45的高倍率SEM图像；(k, l) CNSOH粉末的TEM图像和(m) TEM元素图谱。

【图3】CNSOH@WDC-90、CNSOH@WDC-45以及CNSOH@WDC-180电极的(a) EIS曲线，(b) CV曲线(2 mV/s)，(c) GCD曲线(1 A/g)，(d) 比容量，(e) 循环寿命比较。

【图4】CNSOH@WDC-45//锌水系电池的(a) CV曲线和(b) GCD曲线；(c) CNSOH@WDC-45//锌和CNSOH@WDC-180//锌水系电池比容量和(d) 循环性能的比较；(d) 的插图是CNSOH@WDC-45//Zn电池循环试验前后的CV曲线(10 mV s^–1)；(e) CNSOH@WDC-45和CNSOH@WDC-180电极在水系电解质中的电解质接触和电荷转移示意图。

【图5】准固态锌电池(以CNSOH@WDC-45和CNSOH@WDC-180为正极)的(a) CV曲线(2 mV s^-1)和(b)的GCD曲线；(c)  CNSOH@WDC-45//Zn混合电池的GCD曲线；准固态锌电池的(d)倍率性能和(e) 综合性能；(f) CNSOH@WDC-45//Zn混合电池和其他锌电池的功率密度和能量密度的比较；(g) CNSOH@WDC-45//Zn混合电池GCD循环性能，插图为最后5次循环的GCD曲线；(h) 由混合电池在环境条件下提供动力的温度计。

作者开发了一种独特的木材衍生正极，它集成了活性材料、集流体和气体扩散功能。得益于可维持的定向通道结构排列和随后的不对称润湿性设计，CNSOH@WDC-45正极具有用于气体扩散和定向传质的连续定向三相反应界面通道，从而实现了在没有额外气体扩散层的情况下制造混合锌电池。由于镍锌电池之外的额外充放电过程，组装式准固态混合锌电池具有0.6–2.0 V的宽工作电压范围和656.5mAh g^–1的高容量，以及高能量密度（644.7 Wh kg⁻¹）和良好的耐用性。值得注意的是，这一比容量超过了镍锌电池的性能约370%，使其成为最好的碱性锌电池。我们相信这项工作验证了可再生生物质材料在混合碱性锌电池中的积极作用，也为设计未来高效的多反应储能装置提供了新的途径。

DOI: 10.1002/adma.202300132.   https://doi.org/10.1021/10.1002/adma.202300132

文章来源：深水科技

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