可充電鋅空氣電池(RZAB)是電動汽車和大規模儲能領域中一種極具前景的新型電池，其理論能量密度高(~1370 Wh kg-1)，水系電解液和鋅金屬的使用提高了安全性。
然而，傳統的雙電極RZAB有兩個主要問題：(1) 空氣陰極處催化劑用于氧還原(ORR)和氧析出(OER)反應的設計要求相反和(2)鋅陽極上的鋅枝晶形成、氫氣產生和鋅腐蝕。
近日，清華大學伯克利分校深圳學院和清華大學深圳國際研究生院成會明院士和周光敏以及李佳等人設計了一種三電極RZAB (T-RZAB),包括疏水放電陰極、親水充電陰極和無鋅陽極。
首先，解耦的陰極能夠實現快速的ORR和OER動力學，并避免ORR催化劑的氧化。然后，使用鍍錫泡沫銅的無鋅陽極誘導(002)Zn平面的生長，抑制氫析出并防止Zn腐蝕。因此，T-RZABs具有每周期800 mAh cm-2的高放電容量、0.66 V的放電/充電平臺間低壓差，以及在10mA cm-2電流密度下5220小時的超長循環壽命。
作者開發了一種大型T-RZAB，其放電容量為每循環10安培小時，在循環1000小時后沒有明顯的退化。最后，作者組裝了一個T-RZAB電池組，其能量密度為每千克151.8瓦時，成本為每千瓦時46.7美元。
圖1. T-RZABs的工作機制和優勢，以及C-RZABs和T-RZABs中FeNC的結構表征
與傳統的雙電極RZABs（C-RZABs）不同，T-RZAB由疏水放電陰極、親水放電陰極和無鋅陽極組成。陽極在充電時連接到放電陰極，并在放電期間通過自動繼電器切換到放電陰極。解耦充放電陰極為每個陰極提供了合適的動力學環境，也避免了在充電過程中ORR催化劑的氧化。為了提高放電深度（DOD）和庫侖效率，一個誘導Zn（002）平面電沉積的陽極避免了枝晶的形成，并抑制了HER。在放電過程中，氧氣泡停留在空氣陰極上，降低了ORR活性位點的利用，阻止了它們的擴散，導致放電電壓降低。
此外，作者制備了一種嵌入氮摻雜碳的鐵單原子（0.41%）（FeNC）作為低成本的ORR催化劑；在泡沫鎳（NF）上制備了F摻雜NiFe基層雙氫氧化物（F-Ni27Fe10 LDH）納米片作為低成本的OER催化劑。F-Ni27Fe10 LDH充電電極對電解質具有非常強的親水性，可以導致小氧氣泡的快速解吸。
原位光學顯微鏡顯示出放電陰極可有效避免氧氣泡在表面的吸附，同時充電陰極有效地脫附氧氣泡。HAADF-STEM測試表明，解耦FeNC放電陰極在充電過程中不會被氧化為Fe2O3。此外，CF@Sn可誘導(002)Zn晶面的生長，防止Zn枝晶的形成，并抑制HER副反應和鋅腐蝕問題。
本文設計了一種三電極RZAB，其有效地克服了空氣陰極中OER和ORR催化劑的相反動力學和熱力學要求。具有FeNC和F-Ni27Fe10 LDH催化劑的解耦陰極表現出長達數千小時的優異穩定性。
得益于T-RZABs中F-Ni27Fe10 LDH, FeNC和CF@Sn的優異穩定性，T-RZABs表現出高達800 mAh cm-2的優異放電容量和88.1%的高DOD，在10 mA cm-2電流密度下的穩定性長達5220 h，性能超過此前報道的RZABs系統。同時，大型T-RZABs的放電容量可達10 Ah，穩定性長達1080 h。
此外，T-RZAB電池組的比能量密度為151.8 Wh kg-1，成本低至46.7美元kWh-1，可應用于電動自行車中。
總之，該三電極和無鋅陽極策略可以為超長循環壽命和高能量密度RZABs的設計提供了新的思路。
Zhong, X., Shao, Y., Chen, B., Li, C., Sheng, J., Xiao, X., Xu, B., Li, J., Cheng, H.-M. and Zhou, G. (2023), Rechargeable zinc-air batteries with an ultra-large discharge capacity per cycle and an ultra-long cycle life. Adv. Mater..?https://doi.org/10.1002/adma.202301952
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