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研究背景
利用可再生能源（如太陽能、風能、潮汐能等）產生電能是一種綠色環保並且可持續的發電方式。然而，由於這些可再生能源的供給會隨着時間、季節及其他環境因素的影響而波動，因此開發可靠的電化學儲能系統對於實現此類電能的穩定供應具有重要意義。基於鹼性水系電解液的鋅-空氣電池具有能量密度高、成本低、安全可靠等優點。然而，可充電鋅-空氣電池的能量效率及大電流充放電能力與其他高性能電池相比仍顯不足。在可充電鋅-空氣電池中引入鹼性鋅-過渡金屬化合物電池（如鋅-鈷電池、鋅-鎳電池等）功能，組成複合鋅基電池可以有效地彌補可充電鋅-空氣電池的不足。
成果簡介
近日，南京工業大學、Curtin大學邵宗平教授團隊設計了一種具備電池功能分離特性的MnS-NixCo1-xS2電極。該電極設計具有雙層非對稱親/疏水特性及非對稱組分分佈，不僅能有效化解傳統單層正極中不同電池功能對親/疏水性需求的矛盾，並且通過對不同功能層組分的精細調控最終實現了複合電池性能的有效提升。研究成果以“A Function‐Separated Design of Electrode for Realizing High‐Performance Hybrid Zinc Battery”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Energy Materials》上，文章的第一作者是Curtin大學博士生鍾逸駿，邵宗平教授為通訊作者。
圖文導讀
複合鋅基電池正極不同電池功能對親/疏水性需求的矛盾
基於鹼性水系電解液的複合鋅基電池，正極上主要發生對應於兩種不同電池功能的兩種類型的氧化還原反應：1. 過渡金屬催化劑催化的氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER），2. 過渡金屬活性物質自身的氧化還原反應。複合鋅基電池的性能不僅取決於正極材料的活性，也很大程度上受正極物質（氣體、離子）傳輸情況的影響。此前的複合鋅基電池研究往往着眼於開發多功能正極材料而忽視了對於物質傳輸的優化。實際上，複合鋅基電池中兩種電池功能對正極親/疏水性的要求存在顯著差異。比如， 鋅-空氣電池正極需要較高的疏水性以構建良好的氣體及離子傳輸通道，而鋅-過渡金屬化合物電池正極則需要較高的親水性以保證良好的電解液浸潤。傳統的單層電極結構只能採取一種親/疏水狀態，這表明對一種電池性能的提升往往需要以另一種電池性能的降低為代價（圖1）。
（來源：Adv. Energy Mater）
功能分離電極設計：非對稱親/疏水特性
基於上述分析，該工作提出了一種具備功能分離特性的雙層電極結構（圖1下），其中面向空氣一側為疏水層（負載高效氧催化劑），為鋅-空氣電池功能提供良好的氣體及離子擴散通道，面向電解液一側為親水層（負載過渡金屬儲能電池活性物質），為鋅-過渡金屬化合物電池功能提供良好的電解液浸潤。上述非對稱親/疏水雙層結構由對電極組分（Mn化合物、Ni-Co化合物、疏水PTFE）分佈的設計而實現。
功能分離電極設計：非對稱組分分佈及精細調控
作者首先構築了MnO2-CNT-PTFE疏水基膜，然後通過電化學沉積在疏水基膜上負載NiCo-LDH得到雙層電極。由於基膜的疏水特性，大部分NiCo-LDH被負載在基膜表面，僅有少量的NiCo-LDH被負載在基膜內部。為了進一步提升正極材料的電子導電性，作者進一步對雙層電極進行硫化處理，最終得到了具有非對稱親/疏水特性及非對稱組分分佈的MnS-NixCo1-xS2功能分離電極，其中親水層為NixCo1-xS2，疏水層為Ni-Co-S團簇修飾的MnS。基於旋轉圓盤（RDE）體系的電化學分析表明，不同比例的MnS-NixCo1-xS2混合物均顯示出優秀的ORR及OER催化活性。用作複合鋅基電池的MnS-NixCo1-xS2功能分離電極具有比傳統單層MnS-NixCo1-xS2電極具有更低的鋅-空氣電池充電-放電電壓差（ΔV）和更高的能量效率，同時，功能分離電極也具有更高的鋅-過渡金屬化合物電池比容量。這一結果證實了功能分離電極設計實現了對不同的電池功能性能的同步提升。
文獻鏈接：
A Function-Separated Design of Electrode for Realizing High-Performance Hybrid Zinc Battery. Yijun Zhong, Xiaomin Xu, Pengyun Liu, Ran Ran, San Ping Jiang, Hongwei Wu,Zongping Shao*
Adv. Energy Mater. 2020, 2002992. DOI: 10.1002/aenm.202002992
近期工作
[1] X. Wang, J. Sunarso, Q. Lu, Z. Zhou, J. Dai, D. Guan, W. Zhou,Z. Shao, Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903271.
[2] Q. Lu, J. Yu, X. Zou, K. Liao, P. Tan, W. Zhou, M. Ni,Z. Shao, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1904481.
[3] P. Tan, B. Chen, H. Xu, W. Cai, W. He, M. Liu, Z. Shao, M. Ni, Small 2018, 14, 1800225.
[4] P. Tan, B. Chen, H. Xu, H. Zhang, W. Cai, M. Ni, M. Liu,Z. Shao, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2056.
[5] Y. Zhong, X. Xu, W. Wang,Z. Shao, Batteries Supercaps 2019, 2, 272.
[6] J. Yu, R. Ran, Y. Zhong, W. Zhou, M. Ni,Z. Shao, Energy Environ. Mater. 2020, 3, 121.
[7] Q. Lu, Y. Guo, P. Mao, K. Liao, X. Zou, J. Dai, P. Tan, R. Ran, W. Zhou, M. Ni,Z. Shao, Energy Storage Mater. 2020, 32, 20.
[8] Y. Zhong, X. Xu, J.-P. Veder,Z. Shao, iScience 2020, 23, 100943.
[9] Y. Arafat, M. R. Azhar, Y. Zhong, X. Xu, M. O. Tadé,Z. Shao, Nano-Micro Letters 2020, 12, 130.
[10] Q. Lu, X. Zou, K. Liao, R. Ran, W. Zhou, M. Ni,Z. Shao, Carbon Energy 2020, 2, 461.
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