来源：水系能源

全文摘要

空气自充电电力系统同时具备能量收集、转换和存储的能力。但一般来说，它们的自充电速率较慢，并且由于O2的氧化能力较弱，电池无法氧化至充满电状态。在此，南开大学牛志强教授团队的研究人员通过构建PANI@Pt/C复合阴极设计了一种超快空气自充电水系锌电池。Pt/C催化剂的引入使得PANI和O2之间的氧化还原反应具有快速的反应动力学和扩大的氧化还原电位差。因此，Zn/PANI@Pt/C电池的自充电速率得到有效加快，并且可以自充电至充满电状态。此外，PANI在放电过程中可以同时通过O2进行充电，以补偿消耗的电能，实现长时间的能量供应。PANI@Pt/C正极由于其优异的机械性能，可直接用作柔性自充电锌电池的正极。作为概念验证，本文制造了柔性软包装的Zn/PANI@Pt/C电池，即使在不同的弯曲状态下，该电池也表现出稳定的电化学性能和自充电能力。这项工作为设计超快化学自充电储能装置提供了一条途径，并拓宽了柔性储能装置的视野。

图文速递

图1：Zn/PANI@Pt/C电池和Zn/PANI电池空气自充电机理示意图

图2

a)优化PANI@Pt/C结构，计算PANI与Pt/C的相互作用能。b)PANI@Pt/C的变形电荷密度。c)C和d)Pt在PANI中的态偏密度。e)优化结构并计算出PANI、PANI@Pt/C和O2的前沿分子轨道能。f)聚苯胺和PANI@Pt/C复合材料的ORR极化曲线。

图3

Zn/PANI@Pt/C和Zn/PANI电池的化学充电/恒流放电行为：a)原位空气自充电曲线。b)电池的放电容量。c)空气自充时间的比较。d)锌电池在O2或Ar环境中不同空气自充电次数后的恒流放电容量。e)锌电池重复化学充电/恒流放电循环。f)Zn/PANI@Pt/C电池的倍率能力。g)有气流和无气流引入电解液时Zn/PANI@Pt/C电池的化学充电/恒流放电曲线。

图4

PANI在空气自充电过程中的结构演变：a)PANI在空气自充电过程中的结构演变示意图。b)Zn/PANI@Pt/C电池和Zn/PANI电池9 h后空气自充电曲线。c)FTIR光谱。d)拉曼光谱。e)在还原态、半氧化态和氧化态下计算得到的聚苯胺总N元素中各N种的含量。f)PANI@Pt/C和PANI在不同自充电状态下的XPS光谱。

图5

软包装Zn/PANI@Pt/C电池的空气自充电行为：a)0.5 mV s-1时的CV曲线。b)0.2 A g-1下软包装Zn/PANI@Pt/C电池弯曲1000次的循环性能。c)不同弯曲状态下软包装Zn/PANI@Pt/C电池的重复化学充电/恒流放电循环。d)智能护套原理图及两种供电方式的电路图。e)夹克的光学图像，f)由智能夹克的模式1驱动的血氧仪和g)由夹克的模式2驱动的智能手机。

研究结论

综上所述，本文通过在阴极中引入Pt/C催化剂，开发了超快空气自充电水系锌电池。在Pt/C的催化作用下，PANI与O2的自发氧化还原反应动力学增强，氧化还原电位差扩大。因此，耗尽的电池可以被快速氧化到充满电的状态。Zn/PANI@Pt/C电池具有良好的自充电性能，OCV为1.28 V，放电容量为261.7 mA h g-1，电流为0.1 A g-1。相比之下，锌/聚苯胺电池只能自充电至半充电状态，放电容量为61.1 mAh g-1，不能满足要求。此外，在放电过程中，PANI可以同时被O2充电，以补偿所消耗的电能，从而具有超大的比容量。此外，PANI@Pt/C阴极还具有优异的机械性能，可以直接用作柔性自充电锌电池的阴极。作为概念验证，研究人员制作了柔性软包装Zn/PANI@Pt/C电池，即使在不同的弯曲状态下也表现出稳定的电化学性能和自充电性能。该研究为超快空气自充电储能装置的设计提供了一种有前景的策略，有助于推进可穿戴电子系统的发展。

原文链接

An Ultrafast Air Self-Charging Zinc Battery

Wei Su，Yan Zhang，Huimin Wang，Min Yang，Zhiqiang Niu*

https://doi.org/10.1002/adma.202308042