电池是我们日常生活中使用广泛的物品之一，在便携电源和动力电池领域中，碱性镍锌电池因具有能量密度大、功率密度高、安全性好、成本低等优点而极具发展潜力。4月11日，记者从中国科学院大连化学物理研究所了解到，该所杨维慎研究员和朱凯月副研究员带领的研究团队在碱性镍锌电池研发方面取得新进展。
研究团队提出了一种新型正极的设计策略，通过在氢氧化镍正极上负载氧还原催化剂，制备出“可呼吸式”氢氧化镍正极，显著提高了镍锌电池的能量转化效率和循环稳定性。
氢氧化镍是理想的镍锌电池正极材料之一，具有成本低、氧化还原电位高等优点。然而在充电过程中，氢氧化镍被氧化后生成羟基氧化镍(NiOOH)。后者是良好的氧析出催化剂，容易在电极表面发生析氧副反应。
“传统的镍锌电池不可避免地会产生氧气，但是这些氧气无法得到有效利用，导致电池的能量转化效率低，并且循环稳定性差。”杨维慎介绍说。
为此，研究团队制备了一种新型的“可呼吸式”氢氧化镍正极。“电池在充电的时候产生氧气，类似于人体‘呼气’的行为，而放电时消耗氧气就像‘吸气’一样。在充电过程中正极产生的氧气可以在放电过程中被氧还原催化剂利用，从而显著提高镍锌电池的能量转化效率和稳定性。”朱凯月解释道，“我们称之为‘可呼吸式’正极。”
同时，电极和电解质均得到改善，电池的循环稳定性也得到提升。在循环50小时后，传统镍锌电池电解质中锌的浓度从15克/升降到了8克/升，而“可呼吸式”镍锌(Ni-ZnAB)电池仍然保持稳定。此外，传统镍锌电池正极侧的氢氧化镍颗粒出现了严重的破裂脱落问题，而Ni-ZnAB电池正极侧的颗粒仍维持良好的纳米片形貌。
最终，组装的软包电池在2毫安/平方厘米的电流密度下能够实现100小时的高稳定性，且平均能量效率为85%，优于传统镍锌电池。在富电解液的体系中，Ni-ZnAB电池能够实现长达500圈(250小时)的超高稳定性，能量效率始终高于80%，最高功率达到98毫瓦/平方厘米，展示了Ni-ZnAB电池的重要应用潜力。
“该工作不仅开发出一种能够利用镍锌电池副产物的‘可呼吸式’正极。”杨维慎介绍道，“同时，它还揭示了贫电解液体系碱性电池失效的根本原因，为高能量密度和高稳定性镍锌电池的设计提供了新思路。”
下一步，研究团队将增大“可呼吸式”正极活性物质和催化剂的载量，并重点解决锌负极钝化问题，以期最终获得能实现高能量密度和高循环稳定性的镍锌电池。