通过铋合金化和在1 M KOH中暴露于CO2协同增强锌负极稳定性以用于碱性电池应用

为何更好的电池很重要

从电动汽车到家庭备用电源，我们每年对可充电电池的依赖不断增加。锌基电池具有吸引力，因为锌价格低廉、储量丰富且比锂更安全。但锌负极倾向于腐蚀并产生气泡，这会浪费能量并缩短电池寿命。本研究探讨了一种简单方法，通过加入微量铋并利用空气中的二氧化碳作为助力，而非威胁，从而使锌负极更坚固、寿命更长。

纯锌的问题

在常见的碱性电池中，锌浸泡在强碱溶液中并逐渐分解。其表面不均匀溶解，生长出针状结构并释放氢气。这些变化损害负极，降低有效容量，并使电池难以多次充放电。传统解决方案通常需要复杂的涂层或昂贵的添加剂。作者提出，是否可以通过极少量的另一种金属——铋，结合受控的二氧化碳暴露，抑制这种混乱的表面行为而不显著增加成本。

对金属配方的微小调整

研究团队制备了两种圆形负极：一种为纯锌，另一种为按重量计仅含0.5%铋的锌合金。两种负极都在标准的氢氧化钾碱性溶液中进行测试，条件为单独使用或在通入二氧化碳后。通过成熟的电化学方法，他们测量了金属的腐蚀速率、表面电荷转移的难易程度以及电极在反复充放电过程中的行为。随后用显微镜和X射线技术观察表面形成的固体层类型。

二氧化碳如何成为助力

令人惊讶的是，向碱性溶液中加入二氧化碳使两种锌表面都变得不那么易腐蚀，而非更易腐蚀。该气体与溶解的锌和溶液反应，在金属表面形成富含碳酸锌的层。在纯锌上，这层膜较为粗糙且多孔。然而在锌—铋合金上，保护膜更致密且附着性更好。铋的存在促使致密的氧化物和碳酸盐相形成，从而阻止金属流失和不必要的氢气生成。因此，合金表现出明显更小的腐蚀电流并且开始腐蚀所需能量更高，显示出改进的稳定性。

更稳定的充放电表现

当研究人员在不同电流下循环电极时，这些益处直接转化为类似电池的性能。与相同条件下的纯锌相比，锌—铋负极电压保持更稳定，放电时间更长。在富含二氧化碳的条件下，改进更为显著：合金在更苛刻的电压下仍能工作，并在多次循环中表现出更好的容量保持。先进的阻抗测量显示，电荷更难通过保护层泄漏，表面薄膜更像一个稳定的屏障而不是易漏的海绵。

这对未来电池意味着什么

总体而言，研究表明微量铋与自然存在的二氧化碳相结合，可以大幅增强碱性电池中锌负极的强度。该工作不是将二氧化碳仅视为威胁，而是将其转化为解决方案的一部分，利用其构建自我保护的表面膜。对于普通用户来说，这一方法指向了寿命更长、能量损失更少且更安全的锌基电池，同时依赖于丰富的材料和简便的加工工艺。

引用: Adel, M., Elsayed, A. & Elrouby, M. Synergistic enhancement of zinc anode stability via bismuth alloying and CO₂ exposure in 1 M KOH for alkaline battery applications. Sci Rep 16, 15879 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52415-9

关键词: 锌电池, 碱性负极, 铋合金, 腐蚀抑制, 二氧化碳