文|谦语谈书风
编辑|谦语谈书风
水是生命之源，但是在过去的一百年里， 由于世界人口增多、经济快速发展、城市化进程的加速及人们生活水平和质量的提高，使得人们对水资源的需求日益增多。
由于环境污染和气候变化等问题，加之人们节水意识不强，导致淡水资源严重匮乏。 目前，全世界四分之一的人口正面临着淡水资源短缺的问题。
Zn-Ni电池
锌是一种非常常见的活泼金属元素，在元素周期表中，其位于第4周期，第IIB族。目前为止， 锌由于其在地壳中的含量丰富，价格低廉，性能可控性好，环保等优点，作为电池的电极材料受到了十分广泛的关注。
镍锌电池是一种绿色的新型环保型电池，Zn-Ni电池的开路电压可以达到1.8V，并且实际的使用电压也可以达到1.65V，一直以来都引起人们的极大重视。 所以研究锌做负极材料的Zn-Ni电池具有重大的意义。
Zn-Ni电池的工作原理
Zn-Ni电池的负极一般是金属锌，电解质一般是碱性溶液，常见的正极材料通常为理论比容量是292mAh·g¹的Ni(OH)2。
常见的负极材料是锌板和锌粉等，负极ZnO的理论比容量是662mAh·g¹。一般来说，Zn-Ni电池是通过电解质中的OH在电极间迁移进而形成内部闭合回路，完成电池的充电和放电过程。
在电池的充放电过程中碱性电解液不仅可以提供离子迁移的电荷而且还参与了电极反应。其反应方程式如下：
总反应：ZnO+2Ni(OH)₂→Zn+2NiOOH+2H₂O
负极反应：ZnO+20H+H₂O→Zn(OH)4²-Zn(OH)4²-+2e→Zn+4OH
正极反应：2Ni(OH)2+2OH-2e→2NiOOH+2H₂O
电池在充电过程中Ni(OH)₂被氧化成NiOOH，而在放电过程中NiOOH被还原成Ni(OH)2，金属Zn被氧化成ZnO。
Zn-Ni电池的研究进展
镍和锌元素在地壳中的含量都是非常丰富的。 与镍氢电池需要大量的*土稀**材料相比，镍锌电池需要的材料主要就是镍和锌，锌的来源十分广泛。
因此，研究Zn-Ni电池具有重大意义。从一个世纪前开始，人们就开始接触研究镍锌电池。托马斯·爱迪生率先发现了镍锌电池的发展潜力，并对其进行了进一步研究。
目前镍锌电池的电解液通常采用浓度较高的KOH溶液， 其负极活性材料ZnO以及金属Zn在碱性电解液中具有非常活泼的电化学性能。
并且随着充放电反应的不断循环负极活性材料会溶解，从而导致质量不断减少。 众所周知，这种现象会导致锌电极形变、电极钝化以及锌枝晶产生，进而引起电池短路等。
严重影响了电池的容量和循环性，这在很大程度上限制了镍锌电池的进一步应用发展。因此，制备出结构和性能独特的新型正极材料， 是在充放电过程中获得高导电性和优异的动力学特性的关键。
美国一家公司对之前的电池进行技术改良，特别是对电解液组分和电极制作方法进行了改进， 并取得了不错的效果，才得到了现如今我们看到的新一代的Ni-Zn可充电电池。
Gong等人合成了附着在纳米板上的NiAlCoLDH/CNT，以碳纳米管（NiAlCoLDH/CNT）为阴极材料组装可充电Ni-Zn电池，电解液为碱性。
在电流密度为6.7A·g¹时，其阴极比容量为354mAh·g:Lu的团队通过简单的三步水热反应以及后续的退火处理将Co₃O4@NiO， 直接生长在三维导电衬底上形成Co₃O₄@NiO·NSRAs作为正极材料组成镍锌电池。
这种层次结构提供了几个优点，包括大的接触面积、短的离子扩散路径及良好的电荷输运能力等。 作为镍锌电池的一种先进电极其能量密度可高达5.1mWh·cmr²，功率密度为82.2mW·cmr²。
锌-空气电池的工作原理
锌空气电池一般由锌负极、空气电极、电解质溶液以及辅助密封部件构成。 其正极材料一般为锌板、锌粉、泡沫锌等，负极为空气。
空气电极直接与空气接触，一般由集流体、催化层和气体扩散层构成， 电池中在空气电极三相界面处（氧气-液态电解质-固体催化剂）主要发生ORR反应。
电解液通常为6moL·L-¹的KOH溶液。在放电过程中，锌空气电池的负极发生氧化反应，锌被氧化为二价锌离子，同时向外电路释放电子，并与OH结合生成中间产物锌酸盐，最后形成ZnO。
与此同时，正极发生氧的还原反应（ORR)，氧气得到电子被还原为OH进入电解液中。 反应方程式如下所示：电池总反应：
2Zn+O₂→2ZnO
负极反应：Zn+40H-→2ZnO+2e+2H₂O
正极反应：O₂+4e+2H₂O→40H－
在充电过程中，负极发生还原反应ZnO得到外部电路的电子被还原为金属锌。 正极发生氧气析出反应（OER),OH-电池总反应：2ZnO→2Zn+O₂失去电子生成O₂
负极（阴极）反应：2ZnO+2e+2H₂O→Zn+40H
正极（阳极）反应：40H→O₂+4e+2H₂O
锌-空气电池的研究进展
锌空气电池由于其安全可靠，环保无污染，能量密度高和成本低等优点一直以来备受关注。1879年，Maiche研究出了世界上首个锌-空电池。
此电池的负极是锌片，正极材料是镀铂碳粉，电解液是氯化铵水溶液，但是电池的工作电流密度仅仅只有0.3mA·cm-²。
1932年Heise和Schumacher等人对电解液进行改进，不再使用中性电解液， 而用NaoH碱性电解液，提高了电解液的导电性和电池放电电流密度。负极材料使用锌粉以减少锌负极产生的钝化。
不仅提高了电池整体的稳定性，而且降低了电池成本。从此，人们对锌空电池的研究越来越深入，与过去相比，很大程度上改善了锌空电池的性能。
Lei等人以废弃生物质松果为原料成功地制备了具有良好ORR催化活性的氮掺杂微孔主导碳材料。 制备的氮掺杂微孔主导碳材料具有较高的比表面积。
混合电池
近年来，由于社会的飞速发展，人们对化石燃料的需求急剧上升， 过度开采和使用化石能源，导致严重的能源和环境危机。
电动汽车以其零排放和环保的特点，是目前最具发展前景的化石燃料驱动汽车的替换产品。电动汽车的发展需要高能量密度的储能系统。
由于高能量密度、循环寿命好和高效节能等优点， 锂离子电池引起了人们的极大研究兴趣。然而，高成本阻碍了锂离子电池的大规模应用。
因此，寻找价格低廉、安全可靠、电化学性能好的体系替代锂离子电池系统，是至关重要的。 可充电锌电池，如Zn-Ni电池、Zn-MnO₂电池和Zn-Ag电池它们不仅具有锂电池的优点，也具有低成本和高安全等优点。
对于这些封闭的锌基电池，充放电反应是通过阳极锌片的还原氧化反应和阴极活性物质的氧化还原来实现的。 但是在封闭式锌基电池中，阴极上的活性物质负载量有限，限制了比容量和能量密度的进一步提高。
为了解决这些问题，将封闭式锌基电池与锌空气电池集成，构建混合电池是一种可行的策略， 可以同时在一个供电设备中实现高比容量、功率密度和能量密度等优点。
混合电池的工作原理
混合电池一般由封闭式锌基电池与锌空气电池组成。封闭式锌基电池可分为锌锰电池、锌镍电池、锌银电池等。这种类型的电池。
其放电和充电的机理都是负极锌的氧化还原与其正极上的氧化还原反应（如Ni²+/Ni³+）。 因此，正极材料应具有理论容量高，氧化还原电位低和稳定性好等优点。
锌-空气电池，其正极直接暴露于空气中，在放电过程中发生氧化还原反应（ORR)， 负极锌发生氧化反应，而在充电的过程中，反应是相反的，氧气析出反应（OER）将氧气释放到空气中并且锌离子还原形成金属锌。
因为氧是直接从空气中吸收，既不提高电池质量也不占用电池体积， 因此，电池的能量密度显著提高。以Zn-Co₃O₄和Zn-air混合电池为例，正负极充放电反应方程式如下：
正极反应：Co₃O₄+OH-+H₂O→3CoOOH+eCoOOH+OH-→CoO+H₂O+e40H→0+2H20+4e
负极反应：Zn(OH)4+2e²→Zn+4OH
目前，研究者们将锌镍电池与锌－空气电池组合在一起形成混合电池，可以同时实现两种电池的优点，利用一种复合电极材料来实现两种电池特征。
混合电池的研究进展
锌镍电池具有高电压，其开路电压可高达1.7V，并且可以在短时间内进行大电流放电，除此之外，电池的寿命较长， 因此将锌镍电池用作新能源汽车的动力电池具有很大地优势。
但与其他电池相比较，锌镍电池的理论能量密度较小，只有372Wh·kg¹。 锌-空气电池具有高能量密度，其理论能量密度可达到1084Wh·kg¹，质量轻体积小、放电电压平稳、环保安全和成本低等优点，但其不足之处是功率密度较小。
因此，将镍锌电池和锌－空气电池集成在一起，组成一种新型的锌镍/锌-空气混合电池，使得该混合电池同时具有镍锌电池的优点。
既高电压、可大电流放电，又兼具锌－空气电池的优点，既大比容量和高能量密度的，从而可以弥补两种电池各自的缺陷，为新能源动力汽车电池的发展提供一种全新的思路。
结语
NiMeng团队探究了用自组装Co₃O4作为混合电池电极材料组装成锌－空气/锌镍混合电池，该电池的能量密度达到239Wh·kg¹。
Chen的团队研究了以NiO/Ni(OH)₂纳米片作为锌－空气/锌镍混合电池的电极材料组装成混合电池， 其开路电压可达到1.7V，工作电压也在1.65V左右。因此，混合电池具有很大的发展前景。
参考文献
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