综述：面向实际应用的可充电锌空气电池的关键指标

《Current Opinion in Electrochemistry》：Critical Metrics for Practical Application-Oriented Rechargeable Zinc-Air Batteries

可充电锌空气电池（RZABs）面临空气电极氧反应动力学缓慢和锌电极可逆性差两大技术瓶颈，本文提出标准化性能评估框架：针对空气电极需结合原位气体检测技术区分催化氧化与碳腐蚀竞争机制，优化催化剂及导电碳材料；锌电极需建立高深度放电（>20%）测试体系以准确评估枝晶生长与腐蚀问题。同时提出全电池关键参数优化策略，为工业化提供理论指导和技术参考。

　　锌-空气电池因其固有的安全性、高能量密度、低成本以及环保特性，在下一代储能技术中展现出巨大的应用潜力。然而，其可充电性的实现仍面临诸多技术障碍，主要体现在空气电极中的氧气反应动力学缓慢以及锌电极的可逆性不足。针对这些问题，本文系统地分析了限制锌-空气电池实际应用的核心因素，并提出了一种面向实际应用的性能评估框架。该框架不仅为锌-空气电池的工业化提供了关键指导，还具有扩展至其他金属-空气电池系统的潜力。

在空气电极方面，氧气反应的缓慢是制约其性能的关键因素之一。特别是在充电过程中，过渡金属催化剂的电化学反应路径与碳腐蚀与氧气析出反应之间的竞争机制，是影响电池整体效率的重要因素。为了准确评估这些反应路径，迫切需要引入原位气体监测技术，如差分电化学质量分析（DEMS），以实时分析氧气析出反应（OER）的活性。同时，对于空气电极中的导电碳材料，其稳定性同样值得关注，因为其在长期循环中的性能变化可能直接影响电池的寿命和效率。

锌电极的可逆性问题则主要体现在其在充放电过程中的不可逆容量损失。传统测试条件下通常采用较低的放电深度（DOD）进行评估，这可能会掩盖在实际高DOD（>20%）运行中的容量衰减问题。因此，有必要建立一种“有限锌-高DOD”系统，以更准确地评估锌电极在真实应用条件下的性能。此外，锌电极在充放电过程中还面临着枝晶生长、氢析出腐蚀以及表面钝化等关键问题，这些问题不仅影响电极的可逆性，还会降低其使用效率，最终导致电池容量的快速下降。

在全电池设计方面，关键参数的优化是实现高能量密度和长循环寿命的基础。当前的实验室研究往往通过增加锌负极的用量、电解液的体积、负极与正极容量比（N/P比）以及降低空气电极的负载来展示改善的循环稳定性和容量。然而，这种做法在实际应用中并不适用，因为这些参数的调整可能无法反映真实使用条件下的性能表现。因此，有必要对全电池系统的关键参数进行系统性研究，以确保其在实际应用中的可行性。

为了实现锌-空气电池的电化学可逆性，研究人员已经取得了显著进展。例如，通过合成氮掺杂亚微米碳基球形双功能电催化剂（CNPD-CoFeNi），研究人员成功提升了空气电极的反应动力学。这种新型催化剂具有丰富的原子级活性位点和结构缺陷，其电催化性能与商用Pt/C和RuO?基准相当。此外，通过合成高度分散的超小（约2纳米）PtPdFeCoNi高熵合金纳米颗粒，研究人员实现了优异的电催化性能，表现出0.866 V（相对于RHE）的正半波电位用于氧气还原反应（ORR），以及在10 mA cm?2电流密度下0.310 V的低过电位用于氧气析出反应（OER）。这些成果表明，高熵合金在提升电极性能方面具有广阔前景。

另一方面，通过电沉积技术合成三维铜纳米片（3D Cu NS）作为电流收集体，研究人员成功实现了锌在充电过程中沿（002）晶面优先沉积，从而形成均匀的核化和致密的锌沉积层。这种结构优化有助于提高锌电极的可逆性，减少枝晶生长的风险。此外，通过采用多价阳离子调控策略开发出的新型水凝胶电解质，不仅具有出色的机械韧性，还具备自修复能力，显著提升了锌电极的循环性能。

尽管这些材料和设计上的创新在实验室中取得了显著成果，但在实际应用中仍存在较大的差距。目前，针对锂离子电池的评估标准已经由美国能源部（DOE）和欧盟电池测试基准等机构建立，但这些标准并不适用于具有更复杂反应机制的金属-空气电池系统。因此，建立统一、面向实际应用的性能评估体系对于推动锌-空气电池的研究和商业化至关重要。该评估体系不仅能够提供更准确的性能数据，还能促进不同研究团队之间的数据对比，为锌-空气电池的进一步发展奠定基础。

在实际应用中，锌-空气电池的性能评估需要考虑多个因素，包括空气电极的氧气析出动力学、导电碳材料的稳定性、电解液类型（液体与凝胶）、电解液管理（如防止电解液泄漏）以及放电深度等。这些因素共同决定了电池的循环性能和使用寿命。因此，本文提出了一套系统性的性能评估框架，涵盖空气电极和锌电极的关键参数，以及全电池系统在真实运行条件下的性能指标。

在空气电极方面，特别强调对氧气析出反应动力学的深入研究，以及对导电碳材料稳定性的评估。在锌电极方面，重点在于优化放电深度和比容量等核心参数。同时，本文还识别了几个与全电池性能密切相关的评估指标，这些指标对于理解电池在实际使用中的表现具有重要意义。通过这些研究，不仅能够为锌-空气电池的工业应用提供理论指导和技术参考，还能够为其他金属-空气电池系统的开发提供借鉴。

此外，本文还讨论了当前锌-空气电池研究中存在的主要问题，包括空气电极中催化剂和导电碳材料之间的竞争机制、锌电极在充放电过程中出现的枝晶生长和表面钝化现象，以及全电池系统中关键参数的不匹配问题。这些问题不仅影响电池的性能，还限制了其商业化进程。因此，建立统一的性能评估体系，有助于更准确地识别和解决这些问题，从而推动锌-空气电池技术的进一步发展。

在总结部分，本文指出，锌-空气电池的性能评估需要从多个角度出发，包括材料性能、电极设计以及全电池系统的集成优化。通过系统性地研究这些关键参数，可以为锌-空气电池的工业应用提供更全面的指导。同时，本文也展望了未来的研究方向，包括开发更高效的催化剂、优化锌电极的结构设计以及探索新的充电策略，如化学、热化学和光辅助充电方法，以进一步提升电池的性能和应用潜力。

在作者贡献方面，本文的作者们分别承担了不同的研究任务。Zhongxi Zhao负责概念设计、研究实施和撰写初稿，Yongfu Liu、Jianwen Yu、Jiangfeng Huang、Junshuo Lian和Yaoming Leng主要参与了研究实施，Peng Tan则负责项目管理、监督和撰写审阅。所有作者均声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究成果。

最后，本文对研究工作进行了致谢，感谢国家自然科学基金（523B2061）对Zhongxi Zhao的研究支持，以及国家创新人才计划（GG2090007001）对Peng Tan的研究支持。这些资金支持为研究工作的顺利进行提供了保障，也为锌-空气电池技术的进一步发展奠定了基础。