水系鋅離子電池被認(rèn)為是最具潛力的可持續(xù)儲(chǔ)能技術(shù)之一，但因其面臨著枝晶生長(zhǎng),、析氫,、腐蝕等問(wèn)題，限制了電池的循環(huán)壽命,，影響了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,。

5月23日，筆者從華北電力大學(xué)獲悉,，該校能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院儲(chǔ)能電池材料與應(yīng)用技術(shù)研究所所長(zhǎng),、材料科學(xué)與工程教研室主任田華軍教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)低成本、快速,、通用的合成技術(shù),，制備出的三維鋅基合金界面材料能有效抑制電池負(fù)極表面的枝晶生長(zhǎng)等，助力生產(chǎn)高安全,、長(zhǎng)循環(huán),、高性能水系鋅離子電池，也為其他新型電化學(xué)儲(chǔ)能體系的開(kāi)發(fā),，提供了技術(shù)和理論指導(dǎo),。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。

電池鋅負(fù)極存在枝晶,、析氫與腐蝕問(wèn)題

水系鋅離子電池的工作原理與鋰電池相似,，即利用電解液中的鋅離子在正負(fù)兩個(gè)電極間的往復(fù)穿梭來(lái)存儲(chǔ)和釋放電能。

田華軍介紹,，與堿性電解液體系電池相比，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,。而且鋅離子電池的原材料鋅儲(chǔ)量豐富，電池裝配、儲(chǔ)存,、運(yùn)輸和維護(hù)又相對(duì)簡(jiǎn)單,，因此被認(rèn)為在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

與鋰電池采用高度可燃性的有機(jī)電解液不同,，水系鋅離子電池主要用水作為電解液溶劑,，因此不存在鋰電池的可燃、易爆等問(wèn)題,，具有安全性高,、環(huán)保性好、成本低等優(yōu)勢(shì),，在電子設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)中廣受關(guān)注,。但是作為負(fù)極的金屬鋅，在水系電解液中存在著嚴(yán)重的枝晶,、析氫,、金屬腐蝕等有害副反應(yīng)，從而阻礙了水系鋅離子電池的大規(guī)模應(yīng)用,。

田華軍解釋,，枝晶是指充放電過(guò)程中，鋅離子會(huì)在鋅負(fù)極上發(fā)生不均勻沉積,，從而使電池負(fù)極上出現(xiàn)樹(shù)枝狀金屬鋅晶體,。在電池充放電過(guò)程中，枝晶還會(huì)不斷長(zhǎng)大,，最終刺穿隔膜與正極接觸,，導(dǎo)致電池因內(nèi)部短路而失效。析氫是指作為電解液溶劑的水,，在電池充放電過(guò)程中會(huì)分解,、釋放氫氣，導(dǎo)致電池脹氣,，甚至爆炸,。腐蝕主要是由于金屬鋅較為活潑，會(huì)自發(fā)地與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，從而持續(xù)消耗鋅負(fù)極材料和電解液,，導(dǎo)致電池使用壽命大幅縮短。

新材料解決水系鋅離子電池面臨的問(wèn)題

“我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的三維納米結(jié)構(gòu)鋅基合金界面材料,，用作水系鋅離子電池負(fù)極材料,，以解決枝晶等問(wèn)題?！碧锶A軍說(shuō),，新的負(fù)極材料的三維結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)個(gè)“小房子”,，鋅離子會(huì)自動(dòng)進(jìn)入“小房子”中，即優(yōu)先沉積在鋅基合金界面材料的三維結(jié)構(gòu)內(nèi)而不是聚集在表面,，從而阻止了枝晶生長(zhǎng),。同時(shí)，電解液里增加了含鋅,、銅等離子的溶劑,，以減少水的活性，抑制析氫反應(yīng),，從而解決了鋅負(fù)極界面不穩(wěn)定等問(wèn)題,，延長(zhǎng)了鋅負(fù)極的壽命。該鋅基合金界面材料表面還自然形成了一層鋅銅合金層,，使負(fù)極電極表面強(qiáng)度增加,、電化學(xué)穩(wěn)定性增強(qiáng)，明顯提高抗腐蝕性能,。

為了更好地研究新材料的性能,，田華軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)并利用原位光學(xué)顯微鏡，研究低電流密度,、高電流密度下三維納米結(jié)構(gòu)鋅基合金界面材料的形貌演變規(guī)律,，證明了該材料有利于高效調(diào)節(jié)鋅沉積和溶解反應(yīng)過(guò)程，使枝晶形成的可能性最小化等,。

目前,，已經(jīng)商業(yè)化的水系鋅離子電池主要是基于堿性水系電解液的鎳鋅電池、鋅錳電池,，其應(yīng)用場(chǎng)景包括偏遠(yuǎn)地區(qū)的微網(wǎng),、通信設(shè)備、樓宇備用電源等,。

“我們還通過(guò)一種低成本,、快速、目前通用的合成技術(shù),，制備了一系列具有功能表面結(jié)構(gòu)的三維鋅基合金界面材料,，獲得了具有超高倍率性能、高循環(huán)穩(wěn)定性,、高能量密度的水系鋅離子電池器件,。”田華軍說(shuō),，該制備工藝可以在室溫下進(jìn)行,，不需要任何煅燒處理，還可以在環(huán)境友好的水溶液中進(jìn)行制備,，生產(chǎn)和反應(yīng)時(shí)間非常短,，只需幾十分鐘就可以完成,，適宜未來(lái)的工業(yè)化生產(chǎn),?！斑@也使得該負(fù)極改性修飾制備材料技術(shù)，在成本可控,、效益提升以及大規(guī)模生產(chǎn)大型高安全性的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)方面,，應(yīng)用前景廣闊?！碧锶A軍說(shuō),。