美海军研究实验室开发锌电池，有望取代锂电池让手机、汽车更安全
美国海军研究实验室（NRL）化学部的研究人员近日开发出了一种更安全的锂离子电池替代品——可充电锌电池 。锂离子电池因其易燃特性，最近在海军舰艇和其他军事平台上已被禁用。
该研究指出，可充电锌电池的容量和锂离子电池相仿，但成本更低，速度更快，体积更小、重量更轻，可望应用于混合能源车、电动汽车、电动自行车，甚至手机和大规模贮电设备 。
米切尔·布鲁斯（Michael Burz）是加州圣安塞尔莫的电池技术公司EnZinc的CEO，他表示，该公司科研人员正在测试和推广这项技术，预期能够比锂电池系统便宜30%-50%。
德布拉·罗利森（Debra Rolison）是位于华盛顿的美国海军研究实验室先进电化学材料部门的负责人，也参与了锌电池研究。他认为，锂电池的最大弱点是容易过热，甚至起火爆炸。美国海军一直希望寻找一种替代锂电池的技术，以避免锂电池不稳定性对军人和武器的潜在危害。锌电池的起火危险性远远小于锂电池，单位体积和单位质量储能不低于锂电池。此外，锌在地球上的储量比锂要多，也便宜得多。因此，锌电池是很有希望的下一代可充电电池。
然而，长期以来，锌电池被认为是不可充电的，因为仅仅几轮充电后，锌电池内部的两电极之间会产生导电细丝，最终发生两极短路。
现在，科研团队找到了一种抑制电池内部导电细丝产生的方法：将锌阳极做成多孔海绵状结构。充放电期间，电流在锌阳极上的分布更均匀，因此导电细丝难以产生。
图 | 左：新的锌阳极；右：充放电100次之后的锌阳极。美国海军研究实验室供图
锌阳极的制造工艺是先将锌乳剂涂抹在圆柱形模具上，然后烘干——“这有点像烤松饼”，布鲁斯说。
锌电池的阴极由镍制成。实验表明，电池可以承受5万次充放电，寿命跟混合动力车的铅酸电池相仿，而锌电池的单位体积储能和单位质量储能都高于铅酸电池。
在日产聆风上的测试表明，该电池可以以更轻的质量，更小的体积，提供24千瓦时的电力。
电动自行车测试结果如下：
布鲁斯表示，锌电池以铅酸电池的成本，提供了锂电池的电量，并且可充电，更安全，原材料更丰富。锌是地球上储量第4位的元素，年产量1千4百万吨。事实上，布鲁斯说，世界锌协会的人跟他打趣：“每年在各个生产环节损耗的锌就足以满足锌电动汽车的电池需求。”
更妙的是，科学家发现，锌电池的可行尺度几乎没有限制——从纽扣电池、消费电子产品、电动汽车、大型储能站，都可以。
美国海军实验室成果转化办公室的斯蒂文·马库斯（Steven Marquis）表示，EnZinc公司已经获得了锌-镍电池在轮式电动汽车领域的产业化授权。其他应用领域和其他阴极材料的授权仍在开放中，海军实验室的研究人员仍然在探索其他的阴极材料。比如，银-锌电池的电力是锂离子电池望尘莫及的，因此很有希望被应用于海军的水下潜航设备上。该研究的论文将于本周发表在《科学》上。
现代“炼金术”加持下，锌可实现三价氧化态
氧化态是决定元素化学性质的最基本特性之一。
中学化学教材告诉我们，锌的价电子是“2”，这意味着有两个电子参与元素的化学反应。phys.org网站当地时间8月16日报道，由美国弗吉尼亚联邦大学研究人员Puru Jena教授领导的团队在《纳米尺度》杂志发文称，通过引入适当的试剂，可从根本上改变锌的化学性质，使其转变为三价氧化态。Jena说：“这项技术能够让科学家在基本层面上操控化学反应，使新材料的定制化合成具备可行性。”
虽然锌属于过渡金属元素，但它的第三电子层（d电子层）是满排的。与常规过渡金属不同，它不会参与锌的化学反应，并且不会让锌具有磁性。然而，Jena等发现，当锌与高度稳定的三阴离子，即BeB11(CN)123−和BeB23(CN)223−反应时，其性质发生了改变。Jena说：“它的d层电子参与了化学反应，并且锌显示出磁矩。这说明原子的基本化学性质是可以改变的。”
Jena长期从事原子团簇和纳米粒子方面的研究，取得了丰硕的成果。他说：“纳米材料的显著特性在于，它们的性质与体积相当的其他材料的性质截然不同。例如，贵金属金的尺寸缩减到纳米级时会发生反应。这就是‘现代炼金术’。”
此前，Jena团队一直在开发携带多种电荷时高度稳定的原子团簇。这些工作为锌的开创性发现奠定了坚实基础。他说：“我们始终在探索‘不可能’的新材料。我们认为，通过控制材料的尺寸、组成和电荷状态，是有可能完成这项任务的。”
编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵
期刊来源：《纳米尺度》
期刊编号：2040-3364
原文链接：https://phys.org/news/2021-08-zinc-oxidation-state-fundamentally-element.html
中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源。
相关问答
(1) 锌 原子基态时核外 电子 排布式为______.(2)】作业帮[最佳回答](1)锌是30号元素,其原子核外有30个电子,根据构造原理知其基态原子核外电子排布式为:1s22s22p63s23p63d104s2或[Ar]3d104s2,故答案为:1s22s22p63s23p.....
,电解就能把 锌 镀在铜上,我的问题是:H+比Zn2+更易得 电子 ,为...[最佳回答]在金属活动序列表中,Zn在H的前面,所以Zn比H更容易失去电子.因此在你的实验中,阳极的Zn比阳极附近的H2O更容易失去电子(前者成为Zn离子,后者产生H+)...
锌 原子在化学反应中容易什么 电子 ?锌原子在化学反应中容易失去电子形成Zn2+。锌原子在化学反应中容易失去电子形成Zn2+。
【 锌 原子失去 电子 后得到锌离子,为什么要用Zn2+表示,用其他的...[最佳回答]这是离子的表示方法,先写锌的元素符号Zn,再在元素符号的右上角写上所带电荷数和电荷的性质(正负),即Zn2+.(实际2和+都在右上角)这是离子的表示方法...
在原电池反应中, 锌 失 电子 变为锌离子,锌离子与氢氧根反应生成...[最佳回答]不会变成氧化锌的锌失电子变为锌离子如果溶液中为OH碱性溶液的话碱性弱的话生成的是氢氧化锌碱性强的话氢氧化锌会继续和碱反应生成[Zn(OH)4]2-离...
光电效应。用弧光照射 锌 板，与锌板相连的验电器就带正电。为什么?锌板上的 电子 被光子挤出而锌板带正电?被挤出的光子是飘到空中的,锌板由于失去电子而带正电,锌板与连接的验电器是一个等势体,带同种电荷被挤出的光子是飘到空中的,锌板由于失去电子而带正电,锌板...
锌 导不导电?导电纯锌呈蓝白色,有光泽。硬度2.5(莫氏硬度)。具有延展性。密度7.14克/厘米3。熔点419.58℃,沸点907℃。化合价2。已知锌有十五个同位素。是很好的导热体和...
当通过导线的 电子 为0.8mol时，收集到氢气的体积是(】作业帮[最佳回答](1)该原电池中,Zn易失电子作负极、Cu作正极,负极上铁失电子发生氧化反应生成锌离子进入溶液,电极反应式为Zn-2e-=Zn2+,故答案为:Zn-2e-=Zn2+;(2)Cu...
当导线中有1mol 电子 通过时,理论上的两极变化是()(1) 锌 片溶...[最佳回答]1目的是锌置换出铜附着在锌表面从而形成原电池,加快反应速率2A导线中有1mol电子通过时锌做负极失去1mole-,从而溶解32.5克铜做正极使溶液中H+得到...
铜 锌 电池的运用?铜、锌两电极,一同浸入稀硫酸时,由于锌比铜活泼,容易失去电子,锌被氧化成二价锌进入溶液,电子由锌片通过导线流向铜片,溶液中的氢离子从铜片获得电子,被还...
