CAT蓄电池等离子体工程超疏水碳基阴极提升硅-空气电池性能
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-03-19 21:10:15 点击： 次
摘要
硅-空气电池作为一种环境友好的储能解决方案，具有高能量密度的特点。本研究针对其关键局限性，特别是与空气阴极和电解质管理相关的问题，以提升其性能。为克服这些挑战，我们提出了两种互补且创新的策略，直接针对阴极浸没和电解质不稳定性问题。首先，我们在空气阴极上应用了优化的疏水/亲水涂层，并将传统的PTFE涂层替换为CF材料。4通过等离子体工程制备的超疏水层实现了超过159°的水接触角，并维持稳定的疏水性超过60天——相较于传统的聚四氟乙烯基处理方法，这是一项重大突破。该等离子体改性技术有效缓解了阴极电解液过饱和现象，维持了氧扩散并提升了效率。其次，为应对电解液蒸发并确保长期离子传导性，研究团队开发了旋转式电解液系统，这一动态管理策略在硅空气电池领域尚属首次应用。电化学测试数据表明性能显著提升：比容量达到252 mAh/g，能量密度302.4 Wh/kg，功率密度0.72 W/kg（0.144 mW/cm²）2此外，经等离子体处理的阴极在1.2V电压下实现了长达25,200分钟的放电时长。将等离子体工程化阴极与旋转电解液系统相结合，为克服硅空气电池的关键性能限制提供了可行路径，从而提升了其实际应用潜力。
图形摘要
通过优化空气阴极的疏水/亲水涂层并结合先进的等离子体处理技术，确保了长期稳定性并改善了氧扩散性能，从而解决了硅-空气电池的关键局限性。
引言
对储能设备日益增长的需求不仅由技术进步驱动，还受到环境考量的推动[[1], [2], [3], [4]]。尤为关键的是，电池存储系统需具备环境友好性。我们的首要目标是在不远的未来减少对化石燃料的依赖。空气电池作为一种创新型环保储能解决方案已经崭露头角[[5], [6], [7], [8]]，其融合了原电池与燃料电池的特性，兼具高容量、高比能量和低污染等优势。金属-空气电池（MABs），如锌-空气电池（ZABs）、铝-空气电池（AABs）和硅-空气电池（SABs），凭借其极高的理论能量密度、经济性和环境友好特性，正作为新一代储能系统受到广泛关注[[9], [10], [11], [12], [13]]。这类电池的工作原理依赖于金属阳极溶解反应与阴极氧还原/析出反应，通过利用大气中的氧气来降低系统质量并提升能量效率[10,11]。主流金属-空气电池的理论能量密度范围介于1.0至8.0 kWh/kg之间。46 kWh/kg，显著优于商用锂离子电池的性能表现[12,[14], [15], [16]]。然而，金属-空气电池普遍存在技术瓶颈，包括空气阴极氧反应动力学迟缓、阳极易受腐蚀以及放电电压受限等问题。这些因素常导致实际能量输出难以达到理论预期值[[17], [18], [19]]。与其他金属-空气电池相比，硅-空气电池的研究相对匮乏。采用硅作为空气电池负极材料的构想由Yair-Ein-Eli团队于2009年首次提出[[20], [21], [22]]。作为地壳中含量第二丰富的元素，硅资源储量丰富、易于开采且适合大规模低成本生产。硅-空气电池具有高能量密度和低生产成本的优势，其理论能量密度可达8470 Wh/kg [23]，兼具经济性与资源可获得性。在碱性电解液中，硅-空气电池的反应过程如下[[22], [23], [24]]：Anode:Si+4OH−→Si(OH)4+4e−Cathode:O2+2H2O+4e−→4OH−Passivationreaction:Si(OH)4→SiO2+H2OOverallreaction:Si+O2+2H2O→Si(OH)4
图1a展示了碱性溶液中空气电池的工作原理。在阳极，硅氧化反应产生四个电子，这些电子随后通过集流体传输至阴极。在阴极处，电子与来自空气的氧气以及电解液中的HO发生反应，导致氢氧根离子(OH⁻)的生成2OH−迄今为止，关于硅空气电池的研究主要集中于硅阳极部分[5,23,[25], [26], [27]]。Zhong等人与Park团队的研究报告分别采用砷掺杂和硼掺杂硅片作为阳极基底材料，重点考察了水系电解液硅空气电池的性能[28,29]。此外，Y.E. Durmus等学者探究了掺杂类型与硅阳极晶向对电池性能及效率的影响[30]。X. Zhang等人通过在多维度可调控ZIF-8晶体生长的硅阳极上制备长寿命硅-空气水系电池[23]。ZIF-8层显著提升了硅阳极的钝化性能和抗腐蚀能力，从而延长了电池寿命并提高电压输出。与平面硅阳极相比，Si flat@ZIF-8阳极的放电时长延长了90%；相较于硅纳米线阳极，Si NWs@ZIF-8阳极的放电时长增加了59%。然而，开发新型硅空气电池面临的主要挑战之一，是克服与空气阴极相关的电池性能限制。硅空气电池的关键组件之一是空气阴极，其在从环境空气中还原氧气方面起着至关重要的作用。该阴极的性能很大程度上受其与电解质相互作用的影响[31]。适当的电解质管理至关重要，因为电解质的过饱和或空气阴极堵塞会大幅降低电池效率。该问题源于过量电解质在阴极表面过度积聚，这会阻碍氧气扩散与反应所需的传输通道，从而削弱驱动电池性能的关键电化学过程。解决这些挑战需要对空气阴极进行精心的设计与优化。核心策略包括筛选材料并采用表面处理技术，在提升润湿性与结构稳定性的同时，最大限度减少过量电解质的聚集。实现疏水性与亲水性之间的理想平衡，对于维持有效的氧传输和缓解电解液过饱和的有害影响至关重要[31,32]。本研究深入探讨了硅-空气电池设计的复杂性，着重分析了空气阴极的开发及其与电解液的相互作用。针对疏水与亲水材料的选择、配比组成、制备工艺及表面处理技术开展了系统性研究，旨在探索提升该类电池性能与可靠性的优化路径。在完成基础阴极结构构建后，本研究对疏水层实施了改性处理，以解决空气阴极存在的性能限制问题——包括过饱和现象及电解液阻塞等。为此，采用CF（碳纤维）复合材料......采用等离子体技术使阴极表面获得疏水性，从而替代先前报道的疏水材料聚四氟乙烯（PTFE）。%%电解液消耗与蒸发问题，连同空气阴极的固有缺陷，是制约硅空气电池性能与使用寿命的关键挑战。电解质蒸发会导致离子电导率下降，进而阻碍能量存储与释放所需的关键电化学反应。%% 为解决该问题，本研究开发并应用了旋转电解液系统。该创新系统提升了硅空气电池的稳定性和效率，增强了其在长期应用场景中的可行性。4
综上所述，我们采用了两项互补策略来克服硅-空气电池的关键局限性。首先，我们以CF取代了传统的PTFE涂层。4我们采用等离子体工程制备的超疏水层防止阴极浸水并维持氧扩散。其次，开发了旋转电解液系统以应对电解液蒸发问题并保持离子电导率——这种动态调控方法在该电池体系中尚属首次应用。在水系金属-空气电池中，氧还原反应（ORR）发生在气-液-固三相边界（TPB），来自空气的氧气、电解液中的氢氧根离子与固体催化剂在此处共同参与电化学反应[33]。纯亲水性阴极存在电解液浸没问题，会阻碍氧气扩散；而纯疏水性表面则限制离子传导。为此，本研究提出一种亲水-疏水协同结构以克服上述竞争性限制。该设计中，亲水区域促进可控的电解液润湿并维持催化剂表面的离子传输路径，疏水区域则保持开放的气体通道以实现持续的氧气传输。这些区域的共存稳定了三相界面（TPB），确保固体催化剂能同时接触氧气和电解液，从而在硅空气电池中实现高效的氧还原反应（ORR）动力学性能和长期放电稳定性。
为评估这些创新技术的影响，本研究采用原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和光学发射光谱（OES）等综合材料表征手段。这些分析手段可详细揭示电池组件的结构特征、形貌演变及元素分布特性。通过循环伏安法（CV）、恒电流放电测试及电化学阻抗谱（EIS）对电化学性能进行系统评估，从而全面解析电池的工作效率、循环稳定性与储能容量。集成应用上述优化策略后，电池展现出卓越的电化学性能：放电时长稳定超过420小时，能量密度高达302.4 Wh/kg，并能在1.2V电压平台实现持续放电。这些研究结果标志着硅-空气电池系统在高效性和耐久性方面取得了重大进展，显著增强了其在实际应用中作为长时储能解决方案的潜力。本研究的目标与假设旨在：（1）开发一种CF4等离子体工程化超疏水空气阴极，通过精确调控表面化学性质与微/纳米结构，有效缓解硅-空气电池中的电解液淹没问题；(2) 系统研究等离子体处理时长对疏水性、氧传输及三相边界稳定性的影响；(3) 验证等离子体改性空气阴极与旋转电解液构型的协同作用对放电稳定性及长期电化学性能的提升效果。
