水系鋅空電池可以在0 ℃以下工作嗎？

開(kāi)發(fā)能滿足低溫工況的電池具有重要意義。目前廣泛使用的鋰離子電池低溫性能不佳，同時(shí)低溫析鋰現(xiàn)象還帶來(lái)了顯著的安全隱患。因此，開(kāi)發(fā)能夠勝任低溫儲(chǔ)能的電池體系迫在眉睫。

近日，清華大學(xué)張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了水系鋅空電池的低溫性能。有趣的是，0 ℃以下的低溫環(huán)境中（低至?40 ℃），水系鋅空電池非但不會(huì)因?yàn)殡娊庖耗潭?，反而呈現(xiàn)出在低溫儲(chǔ)能方面的本征優(yōu)勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)上，鋅空電池具有良好的低溫性能。不僅在?10 ℃下具有與室溫下可比的電化學(xué)性能。同時(shí)，其低溫工作的極限可低至?40 ℃。理論上，鋅空電池的低溫性能優(yōu)勢(shì)是物理化學(xué)規(guī)律作用的必然結(jié)果。具體地，溶液的依數(shù)性保證了高濃電解液的低凝固點(diǎn)；正極與負(fù)極反應(yīng)的活化能分別極大和極小，都對(duì)應(yīng)于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)溫度的不敏感性（根據(jù)Arrhenius公式）；水系電解液中氫氧根離子的跳躍機(jī)制保障必要的離子電導(dǎo)率。

圖1. 鋅空電池的低溫性能 為進(jìn)一步提升鋅空電池的低溫性能，研究者隨后從四個(gè)方面，排除或指認(rèn)了限制其低溫性能的短板：1）相圖繪制結(jié)果表明電解液在該條件下未凝固；2）正極動(dòng)力學(xué)受溫度影響不顯著；3）負(fù)極動(dòng)力學(xué)幾乎不受溫度影響；4）低溫下電解液電導(dǎo)率顯著降低，其帶來(lái)的歐姆極化，是限制低溫性能的主要瓶頸。

圖2. 限制鋅空電池低溫性能的因素解耦。(a, b) 正極動(dòng)力學(xué)；(c, d) 負(fù)極動(dòng)力學(xué)；(e, f) 電解液電導(dǎo)率。 為提升低溫下電解液電導(dǎo)率，研究者調(diào)控電解液溶劑化結(jié)構(gòu)，研究了具有不同堿金屬陽(yáng)離子的水系堿性電解液的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論模擬表明，堿金屬的原子序數(shù)越大，低溫下電解液離子締合現(xiàn)象越不顯著，離子電導(dǎo)率越高。因此，將目前基于氫氧化鉀的電解液，更換為基于氫氧化銫的電解液，有望賦予鋅空電池更佳的低溫性能。

圖3. 電解液的溶劑化調(diào)控：更換不同堿金屬陽(yáng)離子。 基于氫氧化銫的電解液賦予鋅空電池顯著提升的低溫性能。具體地，在?10 ℃，鋅空電池實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的500圈的5 mA cm?2長(zhǎng)循環(huán)，電池極化僅0.8 V。以此電池裝配的充電寶具有在低溫下工作的能力，成功在冬季北京室外為手機(jī)充電，并在吉林冰封的松花湖湖面點(diǎn)亮LED燈泡。

圖4 基于氫氧化銫電解液的鋅空電池的低溫性能及實(shí)用化場(chǎng)景展示。 該工作首次揭示了鋅空電池在低溫儲(chǔ)能領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)，并為滿足低溫等苛刻工況電池的開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

審核編輯 ：李倩