新的电池化学性能导致首款可充电锌空气电池

您会遇到的大多数一次性电池在技术上都称为碱性电池。它们在高pH下工作，通常使用锌作为电荷载体。锌之所以出色，是因为它非常便宜，可以用来制造两个电极中的一个，并且在适当的情况下允许在另一个电极上使用空气。后两项简化了电池，使其更紧凑，重量更轻-到目前为止，尝试用锂电池做类似事情的尝试还很短。

所有这些的问题是，电池是可丢弃的，这是有充分理由的：放电的化学作用实际上并不能使电池反向工作。空气中的二氧化碳与电解质发生反应，形成碳酸盐，从而阻塞了一个电极。锌不会整齐地重新沉积在它所来自的电极上，而是形成了一种尖锐的结构，称为树枝状晶体，可以使电池短路。

现在，一个国际团队已经找到了使锌电池可充电的方法。答案似乎涉及摆脱赋予电池名称的碱性电解质。

碱性锌电池的化学表面很简单。锌金属箔用作一个电极，每个锌离子释放两个电子。在另一个电极上，空气中的氧分子吸收了这些电子中的四个，将其分解并形成氧化锌。但是魔鬼是细节，或更具体地讲，是反应中间体。在这种情况下，关键的中间体是氢氧根离子，它是在水基电解质的碱性pH中自然形成的（实际上，几乎定义了该环境）。它与锌发生某些反应，锌不会直接与空气中的氧气发生反应。

这些氢氧根离子也是锌-空气电池问题的根源，因为它们还是将二氧化碳转化为碳酸盐的反应的中间产物。这些碳酸盐会在电极上与氧气发生反应并最终将其阻塞。通过用纯氧气代替空气可以在一定程度上避免这种情况，但这只会将使用寿命延长到十几个循环左右。

处理氢氧根离子不一定能解决锌金属板上树枝状晶体的形成，它可以解决空气电极处的问题。因此，研究人员专注于此。

这不是简单地改变电解质溶液的pH值的问题，因为在中性甚至酸性pH值下在水中形成氢氧根离子。并且，在正常情况下，空气电极处的氧气分解是通过氢氧化物中间体发生的。因此，研究人员用某种疏水性或疏水性的电解质代替了碱性条件。他们使用的化学物质，三氟甲磺酸盐，基本上是连接到碳上并带有三个氟化物的硫酸根离子。分子的碳氟部分排斥水，而硫酸根部分则能够与锌离子相互作用。

改用这种新电解质确实可以一定程度地掩盖锌。但是它对空气极处的反应有较大的影响。在此，正常反应涉及通过氢氧化物中间体转移四个电子以分解O 2分子。随着新电解质的交换，氢氧化物中间体停止形成。结果，只有两个电子转移到氧分子上，产生过氧化物。结果，当电池放电时会形成ZnO 2而不是氧化锌（ZnO）。

研究人员在放电时检测到过氧化锌纤维的形成，并确认这些在充电过程中消失了。他们还可以检测与在放电过程中掺入电池中的氧气相关的压力变化，并在电池充电时释放出氧气。当锌箔用作电极时，超过80％的锌最终用于放电。用锌粉代替锌粉可使锌利用率提高到94％。

结果完全不同。研究人员设法将一个电池循环1600小时，而不是在几个循环后死亡。在大多数时候，枝晶的形成不是问题，单位重量的容量大约是某些锂电池的两倍。

那么，电池问题解决了吗？并不是的。由于电池化学物质依赖于空气，因此水性电解液中的水会随时间蒸发。确实形成了枝晶，最终使锌金属阳极无法使用。但是最大的问题可能是充电速率-请注意，充电/放电周期需要20个小时

将电流密度提高10倍，电池只能运行160小时。进一步提高电荷密度，然后开始分解水而不是操作电池。

研究小组认为，促进过氧化物形成的催化剂可能会提高充电/放电速率，但是很明显，这不一定是许多锂电池使用案例的竞争者。

但这可能不是问题。电网的存储不一定需要从单个电池中快速放电，只要有足够的电池可满足容量需求即可。在这里，锌可能是一种奖励，它的成本不到碳酸锂的四分之一，而纯锌的成本则不到。此外，提供锌来满足其他需求将释放锂，而将锂用于其性能非常重要的用途-如果在使运输电气化的同时尝试使电网可再生，这可能是我们需要的。

最后，研究人员指出，相同种类的化学物质也可以与其他金属（包括镁和铝）一起使用，这两种金属也相对便宜。 这些替代方案可能在优点和缺点之间具有不同的平衡，并且当然也不会竞争锂供应。