通过Al-Zn能量转移策略优化以实现高效储能的Al-air电池寿命预测与动力学建模

2026-06-19 11:33:17

铝-空气电池在高效储能方面展现出巨大的潜力，但由于Al与游离H₂O触摸引起的寄生析氢反响明显献身了能量功率。已证明由Al-Zn能量搬运战略构成的保护层在按捺阳极自放电和延长电池寿数方面具有明显功效。但是，该战略中能量、质量和电荷的搬运动力学仍不清晰。在本工作中，经过试验剖析了Al-Zn能量搬运机制，并从理论上树立了电池的数值模型。结果表明，该模型在猜测电池寿数方面到达了高精度。与电池放电、置换反响和析氢相关的阳极质量遵循肯定外表覆盖度的二阶函数联系。此外，还辨认出了Al(OH)₄⁻、Zn(OH)₄²⁻和OH⁻浓度的改变以及电极过电位的改变。最终，不溶性金属氢氧化物/氧化物的构成被证实是一个关键屏障，阻止了Al阳极的质量传输和电荷搬运，然后限制了电池的高电位输出。

图文摘要

全球工业化的快速推动刺激了社会对可再生能源需求的不断增加，因而迫切需要寻求高效的储能解决方案[[1], [2], [3], [4]]。传统技能（如lithium-ion电池）受限于能量密度、安全性及资源可继续性[[5], [6], [7]]。相比之下，金属-空气电池，特别是Al-air电池，因其具有低成本、高比能量、长使用寿数和环境友好等极具前景的特性而受到了广泛的研讨重视[[8], [9], [10], [11], [12]]。在能源转型继续推动和寻求可继续开展的布景下，Al-air电池为有用利用可再生能源供给了一种潜在的解决方案[13,14]。
金属阳极的自腐蚀被认为是Al-air电池面临的丧命应战。由金属与游离H₂O结合引起的自发析氢反响会导致严重的能量损失，然后明显缩短电池的使用寿数[[15], [16], [17]]。为了解决这一问题，研讨人员提出并试验探索了多种调控战略。Wang等[18]经过在碱性电解液中参加葡萄糖降低了H₂O活性，并在Al外表构建了一层有机防腐层，实现了对金属阳极的增强保护。以此方法，获得了一种容量为2886.7 mAh·g⁻¹、比能量为3675.1 Wh·kg⁻¹的活动式Al-air电池。Lv等[19]从头规划了阳极-电解质界面以按捺Al自腐蚀，并研讨了混合添加剂（Na₂SnO₃和鞣花酸）对Al-air电池的协同效应。结果表明，在双重保护层的效果下，Al阳极的析氢速率降低了52.24%，且电池容量较优化前提高了2.6倍。Wang等[20]使用甘露醇改性了用于Al-air电池的4 M KOH电解液，以按捺阳极自腐蚀。试验研讨表明，甘露醇强烈的氢键相互效果和吸附能力使电池的初始放电电流和稳定放电电流别离提高了3.2倍和1.1倍，同时缩短了到达330电流密度所需的时刻。
事实上，数值模仿代表了一种有用的方法，用于深入研讨关键因素影响金属-空气电池内能量、质量和电荷搬运的方法，并且已经展开了多项相关研讨。Tan等[21]为非水系Li-O₂电池树立了一个理论猜测模型以评估其容量特性，该模型研讨了不同参数对电池质量和体积改变的影响。经过考虑反响产品分数、Li金属利用率、正极孔隙率和过量电解质等参数，发现理论电池容量约为380～450 mAh·g⁻¹。Wang等[22]使用数学模型研讨了H₂O对Li-O₂电池充放电行为和循环功能的影响，旨在说明H₂O在电池中的效果。结果发现，当H₂O低于0.6 mol·m⁻³时，正极会积累未分解的LiOH，导致电池循环终止。该模型能够精确猜测非水系Li-O₂电池的功能，为延长电池循环寿数供给了新战略。Jung等[23]开发了一个一维数学模型来猜测Zn-空气电池的实践功能，该模型考虑了Zn(OH)₄²⁻对ZnO沉积构成的影响。模仿结果表明，当组装一个厚度为0.61 mm的Zn负极与一个厚度为0.11 mm的分隔膜时……
最近，咱们的研讨团队在试验上提出并完善了用于Al-air电池的Al-Zn能量搬运战略，经过该战略构成保护层并按捺阳极自腐蚀，然后提高金属的能量功率，并明显促进电池容量的大幅提高[[26], [27], [28]]。但是，Al-Zn金属能量搬运过程中能量的定量散布规则尚不清晰。此外，Al-air电池的质量传输与电荷搬运规则仍未得到解释。因而，树立一个针对性的电化学模型以补偿目前对Al-air电池理论了解上的空白至关重要。
在本研讨中，咱们立异性地构建了一个经过Al-Zn能量传递战略优化的高功能Al-air电池数值模型，该模型探讨了质量传输和电荷搬运的动力学机制，然后能够精确猜测电池功能。据咱们所知，此前没有见相关报道或提出。首先，试验研讨了Al-Zn能量传递战略在提高电池能量利用率方面的明显影响，系统地探讨了该战略的机理。随后，开发了一个与优化战略相匹配的数学模型，用于猜测电池放电行为，并在各种运转条件下验证了模型的有用性。接着，经过将试验数据输入到所提出的模型中，研讨了金属能量散布的规则性。最终，调查了Al-air电池内关键物种的质量传输和电荷搬运特性。所提出的模型考虑了电池多种反响过程中能量、质量和电荷的传递规则，有助于开展电池功能猜测技能，为metal-air电池的商业化供给了重要的指导。