锌空电池是一种以金属锌为负极，以空气中的氧为正极，去极剂、强碱水溶液为电解液的一次性化学电池。空气中的氧通过电池壳体上的孔进入附着在正极的碳棒上，负极锌被氧化，持久的化学反应产生1.45V的电压。由于其正极活性材料——氧气，存储于大气中，取之不尽用之不竭，故该电池的突出特点是电容量高；缺点是内阻高，不能提供大的电流。它价格适中，使用中不膨胀变形，对环境无污染。

图1 常见助听器中用的锌空电池

近年来电动车发展迅速，给锌空气电池提供了广阔的发展空间。使得人们对它的研究逐步转移到大功率动力电池上。锌空气二次电池也成了各研究机构的开发重点。由锌-空气燃料电池驱动的电动自行车已经走上了上海街头，这款锌-空气燃料电池车最大的特点是续驶里程长，可以达到200km以上；另一个独特之处是它采用换电池来代替传统电动车充电的方式，每次换电池大约3min。

图2. 锌空电池的构造图 a)液态锌空电池；b)三明治型/平面型锌空电池；c)电缆型/纤维型锌空电池

锌空气电池的气体扩散电极是整个电池的能量转换器，气体扩散电极的质量与性能的优劣已成为二次电池发展的瓶颈，目前气体扩散电极存在的主要问题是使用寿命及催化活性。如图2所示，空气电极在充电时发生氧析出（OER）反应，放电时发生氧还原（ORR）反应。这两种反应过程不仅涉及多电子反应，机理复杂，而且包含多相、多界面间的传质，动力学性能较差。由此产生的高的过电位会造成锌空电池效率下降。

图3. 可充型锌空电池的基本构造和性能提升所需考虑的重要方面

目前研究较多的催化剂主要包括贵金属催化剂、过渡金属催化剂及碳基催化剂。贵金属催化剂如Pt 及其合金显示了良好的ORR 活性, Ir,Ru 及其复合材料具有较好的OER 活性，但这些材料都不能同时显示良好的ORR和OER 活性，无法被用作双功能催化剂。且价格昂贵、在催化过程中稳定性差，限制了其在锌空电池中的应用。基于此，我们小组主要通过设计高比表面积、高导电性的金属基催化剂材料，如CoO/Co/N-C, NiFe-MOFs/NiFeO等，来改善OER和ORR的反应动力学，提升锌空电池的能量密度和功率密度，取得了较好的效果。

图4. 采用NiFe-MOFs/NiFeO材料作为空气电极组装的可充型锌空电池点燃LED灯

科学研究的最终意义在于为人类实际生活解决具体问题。我国是锌储量居世界第一的国家，在氢氧燃料电池车的商业化面临价格昂贵、投资巨大、技术瓶颈一时难以逾越的时候，锌-空气燃料电池的诞生也许可为环保汽车的普及提供一条捷径。

来源：科普中国