中国科大在水系锌电池研究中取得重要进展
【仪表网 仪表研发】近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际期刊Nature Communications发表了题为“Constructing robust interfaceforanode-free zinc batteries with ultrahigh capacities”的研究型论文。论文中设计了一种稳定的金属/金属-锌合金异质结界面层，实现了大面容量(200mAh/cm2)下无锌枝晶的稳定沉积和溶解反应以及高达274Wh/kg的锌溴电池能量密度。另外，大容量锌溴电池展示出优异的循环稳定性，电池模组与光伏面板集成展示了其对可再生能源的存储能力。
水系锌电池具有低成本、长寿命、高安全的特点，是下一代大规模储能电池技术最有力的竞争者。然而锌电池面临一系列的问题，严重影响了其产业化进程：1)锌负极存在不可控的副反应如枝晶生长、析氢等，限制了电池的循环寿命；2)锌电池中过高的正负极比和较低的面容量降低了电池的能量密度；3)缺乏对Ah级大容量电池的性能研究及其在储能系统中的应用探索。
该论文设计了一种二维锑/锑锌合金(Sb/Sb2Zn3)异质结界面层用于稳定锌在大面容量下的沉积/溶解。Sb/Sb2Zn3异质结界面在锌沉积过程中表现出对锌原子较强的吸附性及均匀的电场分布，从而实现了200 mAh/cm2超高面容量下无枝晶的锌沉积/溶解(图1)。此外，使用Sb/Sb2Zn3异质结构界面修饰的无锌负极与溴正极结合装配成了无负极锌溴电池，显示出274 Wh/kg的理论能量密度以及62Wh/kg的实际能量密度。容量为500毫安时的大容量锌溴电池表现出超过400次的稳定循环。进一步放大到1.5Ah的电池在不同的串并联形式下均表现出优异的放电电压和效率。此外，能量为9 Wh (6 V,1.5 Ah) 的锌溴电池模组与光伏板集成展示了其实用的可再生能源储存能力(图2)。本论文通过设计金属/金属锌合金异质结界面获得了具有优异性能的无负极锌溴电池，这将为锌电池在大规模储能中的应用开辟新的道路。
图1. Sb/Sb2Zn3异质结界面层稳定锌沉积的机理。a锌沉积在锌箔和Sb/Sb2Zn3异质结界面层上的示意图;b锌在锌箔和Sb/Sb2Zn3异质结界面层上的吸附能;c, d锌在锌箔和Sb/Sb2Zn3异质结界面层上的电荷密度分布；e, f锌箔和Sb/Sb2Zn3异质结界面层在锌沉积过程中的电流密度分布。
图2. 大容量锌溴电池的研究及其在储能中的实际应用。a 大容量锌溴电池结构示意图；b 大容量锌溴电池的实物图；c容量为500 mAh电池的循环曲线; d 单体容量为1.5 Ah的锌溴电池在不同连接形式下的放电曲线；e, f 9 Wh(6 V, 1.5 Ah)的锌溴电池模组存储可再生能源的应用展示。
近年来，陈维教授课题组致力于大规模储能电池的研究和应用开发，已在水系金属离子电池储能体系(Nat. Commun.14 (2023) 76,Angew. Chem. Int. Ed.(2022) e202214966;Adv.Mater.34 (2022) 2203249;Adv.Energy Mater.12 (2022)2103352;Adv.Energy Mater.12(2022)2103705;Energy Storage Mater.47 (2022)113-121;Adv.Energy Mater.5 (2021) 2002904;eScience1 (2021) 178-185)，可充电氢气电池储能体系(Chemical Reviews122 (2022) 16610-16751;Nat. Commun.13 (2022) 2805;J. Am. Chem. Soc.143(2021) 20302-20308;JACS Au2023;Adv. Funct. Mater.31 (2021) 2101024;Energy Storage Mater.42 (2021) 464-469;Mater. Today Energy19 (2021) 100603;Nano Lett.20 (2020) 3278-3283)等研究方向取得了一系列重要的阶段性成果。
中国科学技术大学化学与材料科学学院的博士生郑新华和博士后刘再春为该论文的共同第一作者，中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心的陈维教授为该论文的通讯作者。大规模储能电池系列研究工作得到中国科大人才团队项目和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。(化学与材料科学学院、微尺度物质科学国家研究中心、科研部)
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