Electrolyte-in-Gas Architecture: A Platform for Atmospheric Open and Rechargeable Metal–Air Batteries
本文介绍了一种创新的大气开放式可充电金属-空气电池架构，该架构利用气溶胶微滴取代了体相液体电解质，旨在克服氧传输限制并实现其在大气开放条件下的高效可逆运行。
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能够“呼吸”空气的电池是未来储能领域一个令人神往的想法。与所有化学成分都封装在密封外壳内的标准电池不同，金属空气电池直接从大气中提取氧气，使其与金属（如锌）发生反应以产生电能。这种设计有望实现极高的能量密度，因为最重的燃料部分——氧气——是免费且无穷无尽的。然而，几十年来，这些系统一直受困于一个根本性的“交通堵塞”。在传统设计中，金属与空气在液态电解质池中相遇。氧气必须溶解进这种粘稠的液体并扩散通过它才能到达金属表面，这是一个缓慢且低效的过程。相反，当电池充电时，作为副产物产生的氧气会以气泡的形式困在表面，从而阻碍反应。这种气体在液体中移动的瓶颈，使得这些功能强大的电池无法成为实用的可充电电源。
现在，一组研究人员通过颠覆电池构建方式的逻辑，提出了一个激进的解决方案。他们没有将电极淹没在液态电解质池中，而是引入了一种电解质以微小液滴悬浮在空气中的“气溶化”形态存在的架构。他们称之为“气中电解质”系统。在这种设置下，电极不是被一堵液墙隔开，而是沐浴在连续的气溶化电解质流中。这一改变使得氧气可以直接从周围的大气中到达反应位点，完全绕过了通过液体的缓慢扩散过程。研究人员证明，这种方法不仅解决了氧气传输问题，还使电池能够进行多次重复充电，这在以往这种基于喷雾的设计中尚未实现。
为了测试这一概念，科学家们将重点放在了锌空气电池上，这是一种使用锌作为燃料、利用空气中的氧作为氧化剂的成熟技术。他们构建了一个定制电池，其中锌板作为负极，一个特殊的呼吸空气电极作为正极。他们没有在两者之间的空间填充液体，而是使用一个装置将细小的电解质溶液喷雾直接喷洒在表面上。为了在没有液体池的情况下保持电路完整，他们添加了一个由纳米纤维制成的多孔桥接结构，允许离子在两个电极之间跳跃，同时保持空气路径畅通。团队仔细调整了设计，测试了不同的电极材料和纳米纤维桥的密度。他们发现，光滑的金属表面比多孔表面更适合捕捉喷雾，因为多孔的气体扩散层会捕捉住空气囊，从而阻止液滴铺展，而光滑的箔片则能实现均匀润湿和更大的接触面积。他们还发现，特定的纳米纤维沉积时长创造了离子流动与不阻塞喷雾之间的完美平衡。
结果令人瞩目。当他们喷洒喷雾时，电池产生了稳定的电压和电流，证明了该系统可以产生电能。高速摄像机和计算机模拟揭示了其高效的原因：喷雾创造了一个气体、液体和固体交汇的不断更新的界面。在传统电池中，这个交汇点是静态且经常堵塞的。在这里，新鲜的液滴不断冲刷表面，带来新的离子并清除反应产物。研究人员还发现了关于喷雾本身化学性质的一个意外发现。当液态电解质被破碎成微小液滴时，每个液滴表面的化学环境发生了剧烈变化。通常约为 14 的本体 6 M KOH 电解质的表面 pH 值在气溶化后立即降至约 9。这种巨大的转变是由水分子在与空气的边界处排列的方式引起的，这种方式将氢氧根离子推离了表面。这种局部化学性质的微妙变化影响了电池的反应方式，表明喷雾不仅仅是一种输送方式，本身也是一种独特的化学环境。
至关重要的是，该团队证明了这种大气开放式电池是可以充电的。他们对电池进行了循环测试，通过放电产生电能，然后通过逆转反应进行充电。在充电过程中，电池成功地分解水分子以释放氧气，氧气可以自由地逸散到大气中，而不是被困住形成气泡。他们通过测量气体成分并观察电极表面的化学变化证实了这一点。放电过程中形成的氧化锌在充电过程中被成功转化回可溶性锌离子，电极表面也恢复到了原始状态。这种维持数百分钟的可逆操作证明，这种“气中电解质”架构不仅是一个一次性电源，更是一个可行的可充电储能平台。
该研究还探讨了喷射压力和溶液盐浓度等不同因素如何影响性能。他们发现，较高的喷射压力会产生更密集的液滴流，从而提高电池输出。同样，盐溶液也有一个最佳浓度；盐分过少会降低导电性，而盐分过多则会导致液滴团聚并阻碍氧气流动。通过找到这个“甜点位”，研究人员实现了系统效率的最大化。这些发现为构建下一代空气呼吸电池提供了清晰的蓝图。通过用动态的开放式喷雾取代沉重、停滞的液体，这项工作提供了一个通用的框架，用以克服长期以来限制气体参与型能量系统的质量传递限制。前进的道路现在变得更加清晰：一种能够自由呼吸、由永不枯竭的空气所驱动的喷雾所驱动的电池。
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