研究人員成功利用太陽能提高鋅-空氣電池的效能

科研人員開發了具有交錯p-n異質結的雙功能電催化劑，應用了太陽能電池/半導體介面特性，從而克服"鋅-空氣電池"的侷限性的前景，有希望成就下一代電池。鋅-空氣電池透過大氣中的氧氣和鋅之間的化學反應產生電能，被認為是替代鋰離子電池，滿足電動汽車爆炸性需求的下一代候選電池。

理論上，它們符合下一代二次電池所需的所有特徵，如：高能量密度、低爆炸風險、不排放汙染物的生態友好性和低材料成本（鋅和空氣，可以很容易地從自然界獲得）。

韓國科學技術院（KIST）宣佈，其由Joong Kee Lee博士（儲能研究中心）領導的研究小組開發了一項利用太陽能改善鋅空氣電池電化學效能的技術，這正在成為二次電池領域的一個新的研究和發展領域。

研究小組開發的電池利用了一種具有半導體結構的光活性雙功能空氣-電催化劑，該催化劑具有交替的能級，可顯著提高產生產生電力的氧還原反應（ORR）和氧進化反應（OER）的速率。光活性雙功能催化劑是一種透過吸收光能來加速化學反應的化合物，與傳統的鋅-空氣電池催化劑相比，其光吸收能力有所提高。

在使用金屬和空氣作為電池陽極和陰極的鋅-空氣電池中，必須交替進行OER和ORR，以實現作為陰極活性材料的氧氣的電能轉換。因此，由碳材料製成的正極集流器的催化活性是決定鋅-空氣電池能量密度和整體電池效率的重要因素。

因此，KIST研究小組把重點放在p-n異質結上，這是太陽能電池和半導體的基本結構單元，作為改善鋅-空氣電池緩慢催化活性的措施。其目的是透過利用半導體中發生電子運動的介面特性來加速氧氣的產生-還原過程。為此，合成了一種具有異質結帶隙結構的陰極材料，其中包括n型半導體（石墨氮化碳，g-C3N4）和ap型半導體（銅摻雜的ZIF-67（Zeolitic Imidazolate Framework-67），CuZIF-67）。

圖為光照增強型鋅空氣電池的永續性研究，由兩個串聯的CZ基RZB供電的LED螢幕。

在電流密度為2mA cm- 2的情況下，CZ基鋅空氣電池的長期電致伸縮充放電曲線，放大了暗區、暗-光轉換區和亮區，迴圈次數達1000次。

此外，為了確認具有p-n異質結結構的光活性雙功能催化劑的商業潛力，科研人員在沒有光線的真實世界條件下進行了一項實驗，該催化劑具有交替能量水平。原型電池顯示出731.9 mAh gZn-1的能量密度，與現有鋅空氣電池的最佳效能相似。在有陽光的情況下，能量密度增加了約7%，達到781.7 mAh gZn-1，並且迴圈效能極佳（334小時，1000次迴圈），在已知的催化劑中表現出最佳效能。

Lee博士說："利用太陽能不僅是提高二次電池電化學效能的重要部分，也是實現可持續社會的重要部分。我們希望這項技術將成為一種催化劑，刺激半導體物理學和電化學方面新的融合技術的發展，此外還能解決作為鋰離子電池替代品而出現的金屬空氣電池的困難"。