新晋全职回国的郭再萍院士: 面向可持续能源发展的高性能水系可充电锌–空气电池

面向可持续能源发展的高性能水系可充电锌–空气电池

题目：Aqueous Rechargeable Zn–Air Batteries for Sustainable Energy Storage

作者：Divyani Gupta, Zaiping Guo

DOI：10.1002/cnl2.70023

链接：http://dx.doi.org/10.1002/cnl2.70023

第一作者：Divyani Gupta

通讯作者：郭再萍教授

单位：澳大利亚阿德莱德大学

研究背景

随着全球气温的持续上升，带来了严重的环境问题，人们对可持续且清洁的能源存储解决方案的需求日益增长。尽管锂离子电池（LIBs）在减少对化石燃料依赖、助力实现碳中和方面发挥了重要作用，但其在安全性、制造成本、回收利用以及环境影响方面仍面临诸多挑战。水系可充电锌空气电池（RZABs）作为一种替代技术，因其成本低、安全性高、环境友好等特点，近年来受到广泛关注。凭借高达 1086 Wh kg⁻¹ 的理论能量密度、轻质特性及环境优势，RZAB 有望在小型电子设备、电网储能、备用电源、电动汽车及国防等领域实现商业化应用。与锂离子电池不同，RZAB 避免了对锂、镍和钴等资源的开采与冶炼带来的问题，为大规模储能提供了一种低碳、可回收的可持续路径。随着产业界对可持续储能替代方案的不断追求，RZAB 的全球市场正逐步启动，以满足日益增长的清洁能源存储需求。

锌空气原电池（Primary ZABs）最早于1878年问世，具有高达 500 Wh kg⁻¹（钮扣电池结构）的比能量，是锂离子电池（约 350 Wh kg⁻¹）的近两倍，曾被广泛应用于助听器、胶片相机等小型电子产品。然而，由于其功率密度较低，应用范围较为有限。此后，研究人员尝试开发可充电的 ZAB，通常采用半开放结构的空气电极，但仍面临诸多挑战，如循环效率偏低（60–70%，相较于 LIBs 的 >90%）、寿命短、以及材料退化严重等问题。这些瓶颈凸显了实验室成果与实际应用之间的差距，亟待回答关键问题：RZAB 是否能够满足下一代储能技术在环境友好性与性能方面的要求？未来研究应重点聚焦哪些方向，以实现其实际部署？

无论商业化进展如何，可充电锌空气电池仍展现出良好的应用前景与可持续潜力。本文从可持续发展的视角出发，系统评估了 RZAB 的发展现状，围绕三个核心维度展开：可持续性、技术挑战与进展，以及市场现状与前景。我们首先通过与先进锂离子电池对比，从原材料提取、加工过程、生产排放和可回收性等方面，评估 RZAB 实现碳中和的潜力。随后，概述当前技术层面的进展，包括提升电池效率、可充性和寿命，以助力其商业化落地。最后，分析正在发展的市场格局，梳理关键企业与大型示范项目，并探讨未来研究方向。通过对上述内容的深入讨论，本文旨在为 RZAB 作为低碳足迹、绿色储能技术的可持续发展路径提供全面的观点与参考，助力清洁能源未来的实现。

成果介绍

澳大利亚阿德莱德大学郭再萍教授团队从可持续发展的视角出发，系统评述了水系可充电锌空气电池（RZABs）的当前发展现状、最新技术进展及其相关的碳足迹问题，重点分析了性能瓶颈及其突破路径，以推动该技术实现大规模应用。文章最后总结了目前面临的关键实际障碍、商业化潜力、市场发展现状，并提出了实现RZABs广泛部署、助力可持续能源发展的未来研究方向。该成果以“Aqueous Rechargeable Zn–Air Batteries for Sustainable Energy Storage”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1.系统评估RZAB的可持续性与碳足迹 ：原材料获取、制造过程到回收利用，全面对比RZAB与锂离子电池的环境影响，突出其低碳优势。

2. 聚焦关键性能瓶颈与技术进展：深入探讨限制RZAB商业化的核心问题（如循环寿命、能效、材料稳定性），并总结最新的技术突破与解决策略。

3. 分析全球市场现状与产业动向：梳理当前RZAB在产业界的发展格局与代表性项目，评估其在储能、便携设备、电动车等领域的应用前景。

4. 提出未来研究与发展方向：明确指出RZAB实现规模化部署所需的关键技术路径，为构建清洁能源体系提供战略参考。

本文要点

要点一

可持续能源存储

图1：(a) 水系可充锌空气电池的环境影响；(b) 电池结构示意及各组件面临的挑战；(c) 空气阴极反应；(d) 锌阳极反应。

图1中展示了水系可充锌空气电池在环境影响方面的优异性，并揭示了其在空气阴极与锌阳极反应过程中的关键挑战，说明提升电极反应活性和循环稳定性是实现商业化的核心。

要点二

水系可充锌空气电池研究进展

图2：气泡管理与电极结构优化。

图2a表明通过引入亲水性PVA层可显著降低接触角，促进氧气释放，提升充电性能；图2b展示“气泡二极管”结构能实现单向气泡输运，有效缓解氧气积聚；图2c显示ePTFE电极在充电过程中气泡释放更顺畅，改善氧气扩散；图2d强调催化剂应分布在多孔层内而非表面，以维持三相界面并提升循环稳定性；图2（e–f）则指出多孔石墨烯结构可提高气体扩散层的导电性和微孔率，显著提升能效。整体强调亲疏水调控与结构优化对气体管理和电极性能的关键作用。

图3：锌空气电池中贵金属催化稳定性与调控机制。

图3a展示了贵金属催化剂高活性但存在团聚和成本高的问题；图3b显示碳基及过渡金属载体提高了稳定性和电子调控；图3（c-d）介绍了Ru单原子掺杂NiFe LDH催化剂，实现了长达2400小时的稳定双功能氧反应；图3（e-f）展示Sn-Co/RuO₂三元氧化物通过调控电子结构优化中间体吸附，实现了超长寿命（3312小时）循环。因此贵金属催化剂虽具优异的氧还原与析氧活性，但受限于稳定性差和成本高。通过载体稳定化、单原子催化及与过渡金属合金化等策略，可有效提升其稳定性和催化性能，实现高效且持久的双功能电催化，为实际应用提供了重要方向。

图4：(a) 空气正极和(b) 锌负极在电极-电解质界面存在耐久性问题。(c) 原位光学显微镜照片显示了裸锌和化学缓冲层（CBL）锌负极在不同时间的锌沉积情况，(d) 介绍了化学缓冲机制促进均匀锌沉积。(e) 示意图说明了利用阳离子表面活性剂STAC实现锌沉积平整的机制。(f) 提出了针对负极、正极和电解质的策略以提升可充锌空气电池的耐久性。

图4a显示空气正极因碳酸盐沉积、电解液淹没和气体扩散层堵塞等问题导致性能下降，主要受空气中CO₂干扰影响；图4b揭示锌负极存在枝晶生长、腐蚀及副反应，严重影响电池寿命，均匀锌沉积和表面改性是抑制枝晶的关键。图4（c-d）中，化学缓冲层（ZnO纳米棒/氧化石墨烯）修饰锌负极有效提升了锌沉积的均匀性和可逆性，实现了长周期稳定。图4e展示了阳离子表面活性剂STAC通过吸附锌表面不均匀处促进锌层平整生长，抑制枝晶形成。图4f则指出通过负极、正极和电解质的综合工程优化，可以显著提升可充锌空气电池的耐久性。总体来看，针对正极CO₂干扰及腐蚀、负极枝晶和腐蚀控制，以及隔膜离子选择性的多方位优化，有效提升了可充锌空气电池的稳定性和寿命，为其实际应用奠定了坚实基础。

图5：(a) 锌空气电池太阳能转换与储存机理示意；(b) 市场应用概况；(c) 全球研究机构分布；(d) 未来发展路线图。

图5a展示了基于氮掺杂石墨炔的太阳能锌空气电池，具备高能效和低充电电压，但稳定性仍待提升。图5（b-c）反映锌空气电池市场规模迅速增长和应用领域不断扩大。图5d描绘了未来发展路线，聚焦提升能量密度、功率和寿命。总体来看，锌空气电池凭借安全、环保和高能量密度优势，结合先进材料和AI优化，有望突破技术瓶颈，实现商业化，成为锂电池的重要替代方案。

本文小结

水系可充锌空气电池兼具安全性、高能量密度和低成本，具备成为可持续能源储存的重要潜力。但锌负极枝晶生长、空气正极腐蚀、电解液碳酸盐沉积等问题制约其性能与寿命。未来需聚焦高效耐腐蚀双功能催化剂、电解液优化、功能隔膜及系统集成，推动实验室成果向规模化应用转化。整体发展应兼顾技术突破与环境、经济可行性，促进锌空气电池成为绿色能源存储的重要支柱。

作者介绍

第一作者

Divyani Gupta

澳大利亚阿德莱德大学化学工程学院博士后，导师郭再萍教授。Divyani Gupta于 2023 年在印度理工学院罗帕分校获得博士学位，博士期间主要从事电催化及其在电化学合成氨和锌空气电池中的应用研究。她长期致力于契合可持续发展目标的能源转化与储存体系，目前的研究重点是用于绿色能源储存与将 CO₂ 转化为高附加值产物的水系锌-二氧化碳电池。

通讯作者

郭再萍

郭再萍，澳大利亚科学院，工程院两院院士，澳大利亚阿德莱德大学化学工程学院教授，伍伦贡大学荣誉教授，受邀担任RSC出版社旗舰杂志Chemical Science的副主编。郭再萍教授课题组主要从事储能材料的研究，致力于探究低耗高效的方式开发高性能电池，解决可充电池及其它储能设备中的关键问题。她的研究成果获得了众多奖项，包括澳大利亚研究委员会的伊丽莎白女王二世学者(2010)、未来学者(2015)、桂冠学者(2021)、新南威尔士州州长奖(2020)等。郭教授已在国际著名期刊发表科研论文700余篇，被引用超过66000余次，H-index为138，并在2018-2024年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。她已在高压锂电池，水系锌电池，特种电解液等方面申请了十几项国际专利，并已从政府及企业获得超过5000万澳元的研究项目经费。

期刊介绍

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的26名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2024年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、DOAJ数据库收录，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

在线投稿

wiley.atyponrex.com/journal/CNL2

期刊编辑部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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