上硅所刘宇EEM：三功能金属双极性电极助力高压水系锌电池

由于其低成本和高安全性，水系可充锌电池对于储能应用非常有吸引力。然而，低工作电压限制了它们的进一步发展。

中科院上海硅酸盐研究所刘宇等首次提出了一种独特的方法，通过使用具有良好电化学活性和超高电子电导率的三功能金属双极性电极（BPE）来提高水系锌电池的电压，该电极不仅参与氧化还原反应，而且还可作为电荷传输的电气高速公路。

图1 BPE的工作原理

与传统的水系电池系统相比，新开发的电池具有以下优点。首先，应该强调BPE的可扩展性，许多在不同电解质中具有电化学反应活性、合适电位和良好导电性的材料，可以成为用于水系电池的潜在BPE。

事实证明，已成功发现两种合适的 BPE（Cu、Ag）并将其应用于水系锌电池。其次，BPE可以分离两种电解液，因此，酸性条件下电位较高的氧化还原对（如MnO₂/Mn²⁺、Br⁻/Br₂、I⁻/I₂）和碱性条件下电位较低的氧化还原对（如Zn/Zn(OH)₄^2-) 可以用在单个电池中，这提高了电池的电压。第三，由于BPE的有效阻隔作用，两种电解液之间没有离子交换，因此使用金属BPE的电解液比使用离子选择膜的其他双电解液更稳定。

图2 Zn-MnO₂、Zn-I₂和Zn-Br₂电池中单个电极的CV曲线

基于此，作者采用Cu和Ag两种金属BPE，开发了三种高压水系锌电池：Zn-MnO₂、Zn-I₂和Zn-Br₂。采用一种Cu-BPE可将水系Zn-MnO₂电池的电压提高到 1.84 V，在3500次循环后没有表现出容量衰减。

此外，可以采用Ag-BPE成功构建了Zn-I₂和Zn-Br₂电池，其电压更高，分别为2.44 V和2.67 V，在1000和800次循环中也没有明显的容量下降。由于BPE可以应用于一大类水系电池，这项工作提供了一个基于三功能金属BPE作为模型系统的高压概念，为探索高压水系电池打开了一扇门。

图3 含泡沫铜BPE的Zn-MnO₂电池的电化学性能

High Voltage Aqueous Zinc Batteries Achieved by Tri-functional Metallic Bipolar Electrodes. Energy & Environmental Materials 2021. DOI: 10.1002/eem2.12300

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上硅所刘宇EEM：三功能金属双极性电极助力高压水系锌电池

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