日前，華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院教授田華軍團隊發(fā)布科研成果，創(chuàng)新性地解決了水系鋅電池枝晶生長、析氫和固/液界面腐蝕等科學(xué)問題。該研究通過一種低成本、快速、通用的合成技術(shù)，制備了系列具有功能表面結(jié)構(gòu)的三維鋅基合金界面材料，并詳細探索了基于雙陽離子電解質(zhì)中鋅的沉積/溶解等反應(yīng)機制。
近日，《自然-通訊》發(fā)表了此項研究成果。據(jù)悉，該工作為發(fā)現(xiàn)新型水系電池電化學(xué)、離子存儲化學(xué)和其他新型電化學(xué)體系的開發(fā)提供了技術(shù)和理論指導(dǎo)，對開發(fā)新型水系電池及其他新型儲能電池體系也有重要意義。
據(jù)介紹，目前已經(jīng)商業(yè)化的水系鋅電池技術(shù)主要是基于堿性水系電解液的鎳鋅電池和鋅錳電池。這類堿性電池主要面向小型電動工具、玩具電源等應(yīng)用場景。但基于堿性電解液的鋅電池受限于鋅負極循環(huán)壽命短的問題，總體上難以在規(guī)模儲能中推廣應(yīng)用。
相比于堿性電解液體系電池，基于中性或近中性水系電解液的鋅離子電池技術(shù)具有理論上更長的鋅負極循環(huán)壽命。水系鋅離子電池因其安全性高、環(huán)保性好、成本低等優(yōu)點，在電子設(shè)備和儲能系統(tǒng)中受到廣泛關(guān)注。
然而，由于枝晶生長、析氫、固體(金屬負極)/液體(電解液)界面金屬腐蝕等有害副反應(yīng)引起的鋅負極界面不穩(wěn)定等問題，阻礙了水系鋅離子電池大規(guī)模應(yīng)用。近年來，盡管在抑制水系電池材料界面副反應(yīng)方面已經(jīng)取得了一定進展，但在雙陽離子水系電解液體系下電池的離子存儲機制和枝晶形成與抑制機理等仍不清楚。
三維結(jié)構(gòu)鋅基合金負極低成本制備與原位光學(xué)表征技術(shù)研究思路示意圖。華北電力大學(xué)供圖
研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的三維結(jié)構(gòu)鋅基合金負極表面有利于高效調(diào)節(jié)鋅沉積/溶解過程的反應(yīng)動力學(xué)。所開發(fā)的界面材料在基于單陽離子和雙陽離子的水系電解質(zhì)體系中能夠有效抑制負極表面的枝晶生長，助力實現(xiàn)高安全、長循環(huán)、高性能水系鋅離子電池。同時，為了深入了解電池反應(yīng)動力學(xué)，研究團隊開發(fā)并利用了原位光學(xué)顯微鏡研究了低電流密度和高電流密度下三維結(jié)構(gòu)鋅基合金負極的形貌演變規(guī)律。
與其他方法相比，該制備工藝可以在室溫下進行，無需任何煅燒處理，并且還可以在環(huán)境友好的水溶液中進行制備，反應(yīng)時間非常短。這使得該負極改性修飾制備技術(shù)在可控成本效益和大規(guī)模生產(chǎn)方面制造大型高安全儲能電池系統(tǒng)應(yīng)用中前景廣闊。
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