核心权衡在于简单性与功能专业化之间的平衡。单层空气电极最易于制造且能保持电池紧凑，但单一催化剂层必须同时承担放电过程中的氧还原反应（ORR）和充电过程中的析氧反应（OER）。双层电极在同一个物理电极内将这些功能分离开来，以更苛刻的制造工艺为代价，提高了性能和耐用性。三电极设计则完全分离了反应，但增加了大量的体积、重量、布线和切换复杂性。
单层设计最大限度地降低了制造复杂性；双层设计通常在性能和紧凑性之间提供了最佳平衡；三电极设计提供了最强的反应特定分离，但牺牲了实际能量密度和系统简单性。
为什么配置很重要
一个电极必须支持两个相反的反应
在可充电锌空气电池中，空气电极在放电过程中进行氧还原反应（ORR），在充电过程中进行析氧反应（OER）。
这些反应对催化剂、表面、孔隙和润湿性有不同的要求。电极还必须提供气体通道、电解质接触、电子传导，并具备抵抗催化剂和结构降解的能力。
主要的设计冲突
ORR 在还原条件下得益于有效的氧气和电解质接触，而 OER 则发生在强氧化性且通常更具腐蚀性的充电条件下。
因此，针对一种反应优化的催化剂和电极架构很少能同时满足另一种反应。这三种配置通过逐步增加物理分离来解决这一冲突。
单层配置
结构设计
单层电极使用一个活性催化剂层，其中包含旨在促进 ORR 和 OER 的双功能催化剂。
该层必须同时保持电子导电性、气体传输、电解质接触以及充电过程中的抗氧化性。
制造优势
这是生产中最简单的配置。与多层或多电极设计相比，它通常需要更少的涂覆、压制、对齐和粘合步骤。
当不需要对独立功能层进行严格控制时，降低的工艺复杂性还可以支持更低的制造成本、更薄的电池以及更容易的规模化生产。
电化学局限性
主要局限性在于很难为一个催化剂和一种孔隙结构优化两种不同的反应。
改善 ORR 活性可能不会改善 OER 活性，而有利于一种反应的条件可能会增加另一种反应过程中的质量传输限制或降解。结果可能是更高的极化、更低的往返效率或降低的循环稳定性。
制造折衷
虽然制造过程简单，但配方开发可能很困难。制造商必须在催化剂成分、粘合剂含量、孔隙结构、疏水性和电解质可及性之间找到折衷方案。
简单的涂覆工艺并不一定意味着简单的开发程序；大部分复杂性从制造转移到了材料优化中。
双层配置
结构设计
双层电极包含两个功能不同的催化剂层：
- 面向电解质的OER 导向层。
- 面向空气供应的ORR 导向层。
这种布置在保留单个物理电极和集流体组件的同时，分离了反应环境。
独立的反应优化
每一层都可以使用适合其主导反应的催化剂和配方。
各层还可以在催化剂成分、粘合剂比例、孔隙率、润湿性和厚度方面进行独立调整。这是相对于单层方法的一个主要结构优势。
气体和电解质管理
一种典型的架构是在靠近电解质的一侧使用更亲水、孔径较大的区域，而在空气侧使用更疏水、孔径较小的区域。
亲水侧支持电解质接触，而疏水空气侧有助于保持气体通道并限制电解质泄漏。具体的材料和孔隙结构取决于电池化学性质和操作条件。
性能和耐用性优势
功能分离通常会改善电化学性能，因为每一层都可以围绕其主要反应进行设计。
它还可以通过减少对单一催化剂和单一微观结构承受放电和充电全部需求的要求，从而提高循环稳定性。
制造要求
这一优势伴随着对过程控制的更高要求。制造可能涉及顺序涂覆、受控干燥、多层压制以及对层厚度的精确管理。
界面必须牢固粘合，但压制和粘合过程不得破坏气体扩散通道或阻塞电解质接触。
代表性材料架构
一种实用的设计可能使用镍基集流体，其催化剂层包含导电碳、粘合剂和特定反应催化剂。PTFE 粘合碳结构和含银 ORR 配方是用于创建疏水、透气空气侧层的常用方法示例。
这些材料选择并非通用，它们说明了一个更广泛的原则：两层可以独立配制。
三电极配置
结构设计
三电极电池使用独立的物理电极分别进行 ORR 和 OER。它们位于锌阳极的两侧，根据电池是放电还是充电来切换电气连接。
与双层设计不同，这两个反应不仅是在一个电极内分离。它们拥有独立的电极主体，通常还有独立的集流路径。
最大程度的反应分离
这种布置允许 ORR 和 OER 电极几乎完全独立地进行优化。
ORR 电极不需要设计成能够承受完整的氧化性充电环境，而 OER 电极也不需要提供相同的放电功能。这可以减少对单个催化剂系统的氧化或还原过电位损伤。
制造优势
每个电极都可以使用专门针对其自身催化剂和结构的工艺进行制造。
不需要在同一个电极内形成紧密粘合的双层界面，这消除了一个重要的多层制造挑战。
系统级缺点
这种分离需要额外的电极材料、集流体、电气连接和内部空间。
由此产生的电池通常更大、更重，从而降低了实际能量密度。与传统的双电极布置相比，电气切换和控制也增加了系统复杂性。
设计的合理性
当长循环寿命、独立反应优化或敏感催化剂的保护比紧凑性和最少组件数量更重要时，三电极配置可能具有吸引力。
当应用优先考虑高重量或体积能量密度、简单封装和低系统平衡复杂性时，它的吸引力较低。
比较制造负担
单层：工艺复杂性最低
单层设计具有最少的活性结构元件和最简单的涂覆顺序。
其主要的制造挑战是实现一种均匀的配方，在不造成过度孔隙阻塞、润湿性差或催化剂不稳定的情况下，为两种反应提供可接受的性能。
双层：单电极内最高的工艺精度
双层设计需要控制涂覆顺序、层厚度、干燥、界面粘合和压缩。
关键风险在于处理一层可能会损坏另一层。例如，过度的压制可能会改善机械接触，但会降低孔隙率和气体渗透性。
三电极：简单的功能电极，复杂的组装
单个电极可能更容易优化，因为每个电极只服务于一个反应。
然而，完整的电池需要额外的空间、布线、切换、对齐和密封。因此，制造复杂性从电极构造转移到了电池组装和系统集成上。
理解权衡
性能与简单性
单层电极最大限度地减少了制造步骤，但在催化剂专业化方面做出了妥协。
双层电极通常能更好地控制电化学行为，但前提是必须始终保持额外的制造精度。
界面完整性与传输
在双层设计中，牢固的层间粘合对于机械稳定性和电子连续性至关重要。
然而，过度压实或不合适的粘合剂含量可能会阻碍氧气传输，减少可及反应面积，或破坏亲水区和疏水区之间的预期平衡。
能量密度与反应隔离
三电极系统在 ORR 和 OER 之间提供了最大的物理分离。
这种好处直接带来了额外的质量和体积，因此该设计在保护催化剂性能的同时，可能会降低电池的整体能量密度。
催化剂耐用性并非唯一的耐用性问题
分离催化剂并不能消除所有的降解机制。
电解质泄漏、孔隙淹没或干燥、集流体腐蚀、层间附着力丧失以及气体扩散通道的变化仍然会限制单层和双层电极的使用寿命。
“最佳”结构取决于设计目标
没有普遍优越的配置。
正确的选择取决于主要需求是低成本制造、紧凑性、高电化学效率、长循环寿命，还是使用高度专业化的 ORR 和 OER 催化剂的能力。
为您的目标做出正确的选择
根据预期电池中最重要的约束条件选择架构。
- 如果您的主要关注点是制造简单性和紧凑型电池：使用单层配置，并接受开发一种在 ORR 和 OER 方面均表现良好的催化剂和孔隙结构的挑战。
- 如果您的主要关注点是平衡的性能和实际能量密度：使用双层配置，并仔细控制催化剂配方、润湿性、孔隙率、厚度、压制和层间粘合。
- 如果您的主要关注点是最大程度的反应特定优化和催化剂保护：使用三电极配置，前提是增加的质量、体积、布线和切换要求是可以接受的。
- 如果您的主要关注点是大批量生产的一致性：通过严格的涂覆和层压控制来评估双层设计，因为其性能在很大程度上取决于制造的可重复性。
最实用的折衷方案通常是双层架构，而单层和三电极设计在简单性或最大反应分离成为首要任务时仍然适用。
总结表：
| 配置 | 结构设计 | 制造复杂性 | 性能 | 最适合 |
|---|---|---|---|---|
| 单层 | 用于 ORR 和 OER 的单一催化剂层 | 最低 | 因双重功能而折衷 | 成本敏感型、紧凑型电池 |
| 双层 | 单个电极内两个不同的催化剂层（OER 和 ORR） | 高（需要精确分层） | 平衡的性能与耐用性 | 实际能量密度与效率 |
| 三电极 | 用于 ORR 和 OER 的独立电极 | 每个电极中等，组装复杂 | 最大的反应分离，更长的寿命 | 最大优化，循环寿命 |
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