日前，華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院教授田華軍團(tuán)隊(duì)發(fā)布科研成果，創(chuàng)新性地解決了水系鋅電池枝晶生長(zhǎng)、析氫和固/液界面腐蝕等科學(xué)問(wèn)題。該研究通過(guò)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(xì)探索了基于雙陽(yáng)離子電解質(zhì)中鋅的沉積/溶解等反應(yīng)機(jī)制。

近日，《自然-通訊》發(fā)表了此項(xiàng)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(chǔ)化學(xué)和其他新型電化學(xué)體系的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)和理論指導(dǎo)，對(duì)開(kāi)發(fā)新型水系電池及其他新型儲(chǔ)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(lèi)堿性電池主要面向小型電動(dòng)工具、玩具電源等應(yīng)用場(chǎng)景。但基于堿性電解液的鋅電池受限于鋅負(fù)極循環(huán)壽命短的問(wèn)題，總體上難以在規(guī)模儲(chǔ)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(zhǎng)的鋅負(fù)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(diǎn)，在電子設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)中受到廣泛關(guān)注。

然而，由于枝晶生長(zhǎng)、析氫、固體(金屬負(fù)極)/液體(電解液)界面金屬腐蝕等有害副反應(yīng)引起的鋅負(fù)極界面不穩(wěn)定等問(wèn)題，阻礙了水系鋅離子電池大規(guī)模應(yīng)用。近年來(lái)，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(jìn)展，但在雙陽(yáng)離子水系電解液體系下電池的離子存儲(chǔ)機(jī)制和枝晶形成與抑制機(jī)理等仍不清楚。

三維結(jié)構(gòu)鋅基合金負(fù)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(fù)極表面有利于高效調(diào)節(jié)鋅沉積/溶解過(guò)程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。所開(kāi)發(fā)的界面材料在基于單陽(yáng)離子和雙陽(yáng)離子的水系電解質(zhì)體系中能夠有效抑制負(fù)極表面的枝晶生長(zhǎng)，助力實(shí)現(xiàn)高安全、長(zhǎng)循環(huán)、高性能水系鋅離子電池。同時(shí)，為了深入了解電池反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(fù)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(jìn)行，無(wú)需任何煅燒處理，并且還可以在環(huán)境友好的水溶液中進(jìn)行制備，反應(yīng)時(shí)間非常短。這使得該負(fù)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(chǔ)能電池系統(tǒng)應(yīng)用中前景廣闊。

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