眾所周知，太陽能、風(fēng)能等綠色能源的開發(fā)已成為世界性的關(guān)鍵課題，而儲(chǔ)能電池是開發(fā)新能源的主要技術(shù)瓶頸。其中，最近幾年快速發(fā)展的鋅基電池是以金屬鋅（Zn）為負(fù)極的新型二次電池，克服了傳統(tǒng)電池中存在毒性大、易燃、循環(huán)壽命低、成本高等缺點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。
在2021年1月6日，在ACS Energy Letters（IF=19.003）上同時(shí)刊登了兩篇關(guān)于鋅基電池的最新成果。下面，對(duì)這兩篇成果進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，以供大家學(xué)習(xí)和了解！
首次報(bào)道！可再充電水系Zn電池中Zn合金和非枝晶生長(zhǎng)的起源
可再充電水系鋅（Zn）負(fù)極具有安全性高、成本低和理論容量高（5854 mAh cm-3）等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注。然而，在水系電解質(zhì)中，Zn負(fù)極遭受嚴(yán)重的枝狀金屬沉積。雖然通過誘導(dǎo)Zn合金金屬可對(duì)Zn進(jìn)行調(diào)控，但是其基本機(jī)理仍然難以捉摸?；诖?，美國佐治亞理工學(xué)院Nian Liu（通訊作者）等人首次通過綜合分析報(bào)道了Zn在合金負(fù)極上的調(diào)節(jié)機(jī)理。作者通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在堿性電解質(zhì)中：（1）Zn金屬成核勢(shì)壘在不同的基材之間存在很大差異，某些可溶于Zn的材料的勢(shì)壘可為零；（2）由于Zn合金形成的吉布斯自由能為負(fù)值，在Zn(II)電化學(xué)還原過程中，Zn與Zn合金材料之間的合金形成可以自發(fā)進(jìn)行。這些發(fā)現(xiàn)表明，成核并容納Zn金屬是可行的。
作為概念驗(yàn)證，作者通過使用Ag晶種實(shí)現(xiàn)了通過異種晶種生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的空間受控且均勻的Zn沉積。值得注意的是，一些已報(bào)道的Zn金屬在Zn合金上的晶種生長(zhǎng)，由于晶種Zn的沉積尚未清晰可見而缺乏證據(jù)。在本文中，作者使用光學(xué)顯微鏡首次可視化了操作中的晶種Zn沉積。密度泛函理論（DFT）計(jì)算的結(jié)果表明，從ZnxAg1-x合金中剝離Zn的過程更加活躍，因此Zn2+/ZnxAg1-x氧化還原電勢(shì)要比Zn2+/Zn氧化還原電勢(shì)高，從而解釋了最近報(bào)道的Zn合金相的耐腐蝕性能。當(dāng)將沉積的Zn與Ag的摩爾比控制在1、2和3時(shí)，所得的負(fù)載有銀納米粒子的復(fù)寫紙（C-Ag）分別具有75187、2501和752次循環(huán)的優(yōu)異循環(huán)壽命，而C電極的循環(huán)壽命分別為273、33和38次。此外，對(duì)比已報(bào)道的堿性電解液中的深循環(huán)Zn負(fù)極，Ag修飾的Zn負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的整體循環(huán)性能。同時(shí)，本文中的合金-晶種設(shè)計(jì)原理可以潛在地用于改善其他金屬負(fù)極的可再充電性能。
Yamin Zhang et al. Unveiling the Origin of Alloy-Seeded and Nondendritic Growth of Zn for Rechargeable Aqueous Zn Batteries. ACS Energy Lett., 2021, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02343.
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02343
通過電解質(zhì)添加劑減緩Zn負(fù)極上枝晶的形成
基于鋅（Zn）負(fù)極的電池具有成本低、理論容量和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的研究。然而，在循環(huán)過程中在Zn負(fù)極上形成枝晶會(huì)嚴(yán)重影響這種電池的穩(wěn)定性和安全性?；诖?，英國倫敦大學(xué)Ivan P. Parkin和Guanjie He（共同通訊作者）等人通過研究一系列有潛力解決該問題的電解質(zhì)添加劑，發(fā)現(xiàn)氯化鋰（LiCl）添加劑可以抑制枝晶的生長(zhǎng)并且穩(wěn)定Zn金屬負(fù)極。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，2M LiCl是水系Zn負(fù)極基電池中的有效添加劑。當(dāng)使用3 M ZnSO4和2 M LiCl的優(yōu)化電解質(zhì)構(gòu)建不對(duì)稱電池時(shí)，在連續(xù)充/放電過程中，顯著抑制Zn負(fù)極表面枝晶的形成，從而極大的提高了循環(huán)穩(wěn)定性，降低了副反應(yīng)并且提高整體的容量。其中，Li陽離子（Li+）優(yōu)先在Zn表面形成Li2O/Li2CO3，并且提供屏蔽作用來抑制枝晶的沉積。通過研究包含不同陰離子的電解質(zhì)，發(fā)現(xiàn)適量的氯陰離子（Cl–）會(huì)降低Zn極化并且促進(jìn)離子遷移。
該工作表明適當(dāng)濃度的協(xié)同金屬鹽電解質(zhì)是解決枝晶生長(zhǎng)和增強(qiáng)Zn離子基水系電池性能的一種有前途的策略。
Xiaoxia Guo et al. Alleviation of Dendrite Formation on Zinc Anodes via Electrolyte Additives. ACS Energy Lett., 2021, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02371.
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02371
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