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由于其低成本和高安全性，水系可充鋅電池對于儲能應(yīng)用非常有吸引力。然而，低工作電壓限制了它們的進(jìn)一步發(fā)展。

中科院上海硅酸鹽研究所劉宇等首次提出了一種獨特的方法，通過使用具有良好電化學(xué)活性和超高電子電導(dǎo)率的三功能金屬雙極性電極（BPE）來提高水系鋅電池的電壓，該電極不僅參與氧化還原反應(yīng)，而且還可作為電荷傳輸?shù)碾姎飧咚俟贰?/span>

圖1 BPE的工作原理

與傳統(tǒng)的水系電池系統(tǒng)相比，新開發(fā)的電池具有以下優(yōu)點。首先，應(yīng)該強調(diào)BPE的可擴(kuò)展性，許多在不同電解質(zhì)中具有電化學(xué)反應(yīng)活性、合適電位和良好導(dǎo)電性的材料，可以成為用于水系電池的潛在BPE。

事實證明，已成功發(fā)現(xiàn)兩種合適的 BPE（Cu、Ag）并將其應(yīng)用于水系鋅電池。其次，BPE可以分離兩種電解液，因此，酸性條件下電位較高的氧化還原對（如MnO₂/Mn²⁺、Br^?/Br₂、I^?/I₂）和堿性條件下電位較低的氧化還原對（如Zn/Zn(OH)₄^2-) 可以用在單個電池中，這提高了電池的電壓。第三，由于BPE的有效阻隔作用，兩種電解液之間沒有離子交換，因此使用金屬BPE的電解液比使用離子選擇膜的其他雙電解液更穩(wěn)定。

圖2 Zn-MnO₂、Zn-I₂和Zn-Br₂電池中單個電極的CV曲線

基于此，作者采用Cu和Ag兩種金屬BPE，開發(fā)了三種高壓水系鋅電池：Zn-MnO₂、Zn-I₂和Zn-Br₂。采用一種Cu-BPE可將水系Zn-MnO₂電池的電壓提高到 1.84 V，在3500次循環(huán)后沒有表現(xiàn)出容量衰減。

此外，可以采用Ag-BPE成功構(gòu)建了Zn-I₂和Zn-Br₂電池，其電壓更高，分別為2.44 V和2.67 V，在1000和800次循環(huán)中也沒有明顯的容量下降。由于BPE可以應(yīng)用于一大類水系電池，這項工作提供了一個基于三功能金屬BPE作為模型系統(tǒng)的高壓概念，為探索高壓水系電池打開了一扇門。

圖3 含泡沫銅BPE的Zn-MnO₂電池的電化學(xué)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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上硅所劉宇EEM：三功能金屬雙極性電極助力高壓水系鋅電池

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上硅所劉宇EEM：三功能金屬雙極性電極助力高壓水系鋅電池

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