华南理工大学刘军团队研发新型准固态锌空气电池：-50℃至60℃宽温域稳定运行
华南理工大学刘军团队研发新型准固态锌空气电池：-50℃至60℃宽温域稳定运行
华南理工大学刘军团队在Journal of the American Chemical Society期刊发表重要研究成果，开发出一种新型准固态锌空气电池。该电池在-50℃至60℃的宽温域内表现出优异的电化学性能，单体电池容量高达7.15 Ah，能量密度达到110 Wh kg⁻¹，展现出巨大的商业化潜力。
准固态锌空气电池通常因氧电催化反应迟缓及电化学界面不稳定导致倍率性能受限（<10 mA cm⁻²）。2025年3月23日，华南理工大学刘军团队在Journal of the American Chemical Society期刊发表题为“Ampere-Hour-Scale Quasi-Solid-State Zinc-Air Batteries with a Wide Operating Temperature Range (−50 to 60 ℃)”的研究论文，团队成员顾腾腾为论文第一作者，刘军为论文通讯作者。
图1. 商业化安时级准固态锌空气电池结构解析示意图。
该研究报道了一种实用准固态锌空气电池体系，空气阴极采用多活性位点的MnFeCoNiRu高熵合金均匀锚定于碳纳米纤维（MnFeCoNiRu/CNF），电解质为聚丙烯酰胺-丙烯酸共聚物（P(AA-co-AM）有机水凝胶，兼具抗冻与导电特性。MnFeCoNiRu/CNF表现出优异的双功能氧反应活性（ΔE=0.64 V）和稳定性（>10000次循环），性能超越商用Pt/C和RuO₂。通过原位拉曼光谱与密度泛函理论DFT计算，优势主要源于不同金属位点在氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应中的协同作用。另外，添加二甲亚砜（DMSO）的有机水凝胶通过增强分子间氢键网络，在-50°C低温下仍保持高化学/机械稳定性。该电池在500 mA电流和250/500 mAh条件下循环过程展现出7.15 Ah的高容量和110 Wh kg⁻¹（根据电池整体质量）的能量密度，并可在-50至60°C的宽温域内以5–2000 mA的电流稳定运行。
图3. 电催化剂电化学性能。
总之，该研究提出了一种新型准固态锌空气电池（QSSZABs）体系，通过整合设计的MnFeCoNiRu/CNF阴极与P(AA-co-AM)有机水凝胶电解质，展现出卓越的反应动力学、电化学耐久性和超离子导电性。该电池在商业化应用方面表现出三大核心优势，安时级单体电池容量达7.15 Ah，能量密度达到110 Wh kg⁻¹（根据电池总质量），在500 mA电流和250/500 mAh条件下通过循环验证；具备机械柔韧性；并能够在-50至60°C的极宽温域内稳定工作。材料创新体现在两个维度，一方面，通过静电纺丝与石墨化工艺结合，成功制备MnFeCoNiRu高熵合金纳米颗粒（HEA NPs）。原位拉曼光谱证实该材料在充放电过程中会暴露多活性位点，密度泛函理论DFT计算表明，Mn和Ru原子的引入可向邻近空位提供价电子，削弱了吸附质与合金表面的相互作用强度。另一方面，双链聚合物P(AA-co-AM)有机水凝胶电解质通过调控氢键网络和阳离子溶剂化结构，有效抑制副反应并缓解锌枝晶生长，显著提升电化学界面稳定性。通过性能表征展示，该柔性锌空气电池在50 mA cm⁻²的高循环速率下能够稳定工作60小时，充放电电压差仅约1.03 V。由于P(AA-co-AM)电解质降低的凝固点和提升的热稳定性，电池在-50至60°C极端温度下仍保持优异的循环稳定性与容量保持率。
原文链接：DOI：10.1021/jacs.4c16807