研究人员成功利用太阳能提高锌-空气电池的性能

科研人员开发了具有交错p-n异质结的双功能电催化剂，应用了太阳能电池/半导体界面特性，从而克服"锌-空气电池"的局限性的前景，有希望成就下一代电池。锌-空气电池通过大气中的氧气和锌之间的化学反应产生电能，被认为是替代锂离子电池，满足电动汽车爆炸性需求的下一代候选电池。

理论上，它们符合下一代二次电池所需的所有特征，如：高能量密度、低爆炸风险、不排放污染物的生态友好性和低材料成本（锌和空气，可以很容易地从自然界获得）。

韩国科学技术院（KIST）宣布，其由Joong Kee Lee博士（储能研究中心）领导的研究小组开发了一项利用太阳能改善锌空气电池电化学性能的技术，这正在成为二次电池领域的一个新的研究和发展领域。

研究小组开发的电池利用了一种具有半导体结构的光活性双功能空气-电催化剂，该催化剂具有交替的能级，可显著提高产生产生电力的氧还原反应（ORR）和氧进化反应（OER）的速率。光活性双功能催化剂是一种通过吸收光能来加速化学反应的化合物，与传统的锌-空气电池催化剂相比，其光吸收能力有所提高。

在使用金属和空气作为电池阳极和阴极的锌-空气电池中，必须交替进行OER和ORR，以实现作为阴极活性材料的氧气的电能转换。因此，由碳材料制成的正极集流器的催化活性是决定锌-空气电池能量密度和整体电池效率的重要因素。

因此，KIST研究小组把重点放在p-n异质结上，这是太阳能电池和半导体的基本结构单元，作为改善锌-空气电池缓慢催化活性的措施。其目的是通过利用半导体中发生电子运动的界面特性来加速氧气的产生-还原过程。为此，合成了一种具有异质结带隙结构的阴极材料，其中包括n型半导体（石墨氮化碳，g-C3N4）和ap型半导体（铜掺杂的ZIF-67（Zeolitic Imidazolate Framework-67），CuZIF-67）。

图为光照增强型锌空气电池的持久性研究，由两个串联的CZ基RZB供电的LED屏幕。

在电流密度为2mA cm- 2的情况下，CZ基锌空气电池的长期电致伸缩充放电曲线，放大了暗区、暗-光转换区和亮区，循环次数达1000次。

此外，为了确认具有p-n异质结结构的光活性双功能催化剂的商业潜力，科研人员在没有光线的真实世界条件下进行了一项实验，该催化剂具有交替能量水平。原型电池显示出731.9 mAh gZn-1的能量密度，与现有锌空气电池的最佳性能相似。在有阳光的情况下，能量密度增加了约7%，达到781.7 mAh gZn-1，并且循环性能极佳（334小时，1000次循环），在已知的催化剂中表现出最佳性能。

Lee博士说："利用太阳能不仅是提高二次电池电化学性能的重要部分，也是实现可持续社会的重要部分。我们希望这项技术将成为一种催化剂，刺激半导体物理学和电化学方面新的融合技术的发展，此外还能解决作为锂离子电池替代品而出现的金属空气电池的困难"。