当前位置：首页>南京>南京理工大学 Adv. Energy Mater.:准零间隙流动型水系Zn-CO2电池

南京理工大学 Adv. Energy Mater.:准零间隙流动型水系Zn-CO2电池

2026-04-18 17:41:10

声明：本文为【新威智能】特邀投稿，转载及相关事宜请联系小智（微信号：nwMobile）。

文章信息

发表期刊：Advanced Energy Materials

文章标题：Pseudo-Zero-Gap Flow-Type Aqueous Zn-CO₂Batteries

第一作者：Weiliang Li,、 Guoliang Xu 、Qi Huang

研究背景

二氧化碳电池是一种缓解环境与能源危机的颇具前景的技术——它能同时将二氧化碳转化为有价值的化学品或燃料。此外，由于火星大气中二氧化碳浓度极高，利用火星自身资源，二氧化碳电池或许也能为火星探索提供生成碳基原料与电能的解决方案。在各种二氧化碳电池中，水系锌-二氧化碳电池（AZCBs）因成本低、环境友好、可再生、安全等优势脱颖而出。尤其是锌金属能耐受反应性水系电解液，在电池放电过程中通过电化学二氧化碳还原反应（eCO₂RR）生成高附加值碳产。然而，AZCBs的广泛应用仍受若干瓶颈问题限制，如放电电位与电流密度低、功率密度小、能量效率差等，制约了其大规模应用。目前，大多数研究集中在eCO₂RR电催化剂上，以调节放电产物和电池性能，而由于低放电电势和小电流密度，电池功率密度仍然被限制为小于10 mW cm^-2。

研究亮点

创新性的提出了一种准零间隙AZCBs体系，该体系不仅利用气体扩散正极（GDE）促进CO₂扩散，而且通过减小负极和正极之间的距离来降低传质阻力，所制备的AZCB表现出优异的放电性能。使其在117.5 mAh cm^-2的电流密度下实现了67.0 mW cm^-2的峰值功率密度。并且AZCB在模拟火星大气中的出色性能表明，它可能是在极端环境下同步能量生成与原料生产的潜在解决方案。

主要结果

图1.(a)在正极和负极处放电和充电期间的电池反应;（b）电池反应的标准电极电势。

图2.(a)H型AZCB;（b）三室流动型AZCB;（c）准零间隙AZCB;（d）AZCBs的2D建模配置;（e）具有不同电极间间隙的AZCB的实验和模拟I-V和I-P曲线;（f）准零间隙电池（底部）和流动型电池（顶部）的电解液中的电流和电流密度分布;（g）准零间隙AZCB的OCP。负极电解液为6M KOH +0.02M Zn（ac）₂，正极电解液为6M KOH。（h）使用相同正极材料的不同AZCB的J-P曲线;（i）准零间隙AZCB的连续充电和放电曲线。

图3.（a) 气室中气态CO₂的摩尔浓度分数；(b) 当极间距离为2.023 cm（左）和0（右）时，AZCBs在TPI侧与负极侧的溶解CO₂摩尔浓度（相对于Zn/Zn²⁺为0.4 V）；(c) 不同极间距离下AZCB沿中心线的OH^-离子分布；(d) 使用不同电催化剂的半电eCO₂RR的线性扫描伏安（LSV）曲线；(e) 使用Bi₂O₃/C@350催化剂的eCO₂RR在不同电流密度下的计时电流法测试结果；(f-i) Bi-HHTP、Bi₂O₃/C@250、Bi₂O₃/C@350、Bi₂O₃/C@400催化剂促进eCO₂RR产物的法拉第效率（FE）值。

图4.（a) 电催化剂XRD图谱；(b) Bi₂O₃/C@350的TEM图像及其Bi、O、C元素的能量色EDS图；(c) Bi₂O₃/C@350的HRTEM图；(d–f) Bi₂O₃/C@350的Bi 4f、O 1s和C 1s的 XPS光谱；(g) Bi₂O₃/C@350、Bi₂O₃及Bi箔参比样的Bi L3边的XANES谱；(h) Bi₂O₃/C@350、Bi₂O₃及Bi箔参比样的Bi L3边R空间谱；(i) Bi₂O₃/C@350的Bi L3边小波变换谱。

图5.(a,b) 使用Bi₂O₃/C@350催化剂时，eCO₂RR在pH=0和14.78介质中生成CO和HCOOH路径的自由能图；(c-d) Bi₂O₃/C@350与Bi-HHTP的eCO₂RR选择性Pourbaix图；(e,f) Bi₂O₃/C@350与Bi-HTTP的COOH和OCHO中间体吸附能；(g) Bi₂O₃/C@350的OCHO与COOH中间体差分电荷密度及Bader电荷分析；(h,i) Bi₂O₃/C@350与Bi-HTTP的Bi 6p轨道投影态密度（PDOS）。

图6.(a) 采用Bi₂O₃/C@350的准零间隙AZCB的恒流放电曲线及HCOOH的法拉第效率；(b) 长循环过程中的充放电循环性能；(c) ZrO₂-锌电池的I-V和I-P曲线；(d) 准零间隙与流动型AZCB的电池性能对比；(e) 本研究与已报道数据的功率密度对比；(f) 上述AZCB在火星大气中的连续充放电曲线；(g) 上述AZCB在火星大气中的I-V和I-P曲线；(h) 由三个AZCB组成、在火星大气中工作的电池堆（电解液为6M KOH）。

结论

研究者设计并制备了一种具有准零间隙的AZCB，这种AZCB展现出优异的性能：峰值功率密度达67.0 mW cm^-2，放电电位为0.57 V，电流密度为117.5 mA cm^-2，且在600次循环中表现出稳定的循环性能。所制备准零间隙AZCB的这一优异性能源于OH^-与CO₂传质的增强，以及Bi₂O₃/C@350催化剂高效且选择性的CO₂电转化能力。值得注意的是，最小化的电极间距可改善OH^-传输，进而提升电池性能与反应界面CO₂消耗速率，由此产生的大浓度梯度有利于溶解态CO₂（CO₂,D）与气态CO₂（CO₂,G）的扩散及其转化。此种准零间隙AZCB在m模拟火星大气中亦表现出优异性能，为火星探索提供了一种极具前景的能源与原料解决方案。

计算方法

DFT计算：密度泛函理论（DFT）计算通过MedeA-VASP维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行。采用GGA-rPBE广义梯度近似方法定义交换关联势。原子核与电子间的相互作用通过投影缀加波方法（PAW）描述。实空间布里渊区采用1×1×1 Monkhorst-Pack K点网格采样，平面波截断能设为400 eV。采用宽度为0.1 eV的高斯展宽方法，几何优化中能量和力的收敛判据分别设为10^-5 eV和0.04 eV/Å。为改善对强关联Bi 5d轨道的描述，引入Hubbard-U校正方法（DFT+U），其中U-J值设为6 eV。