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?華理/港科大AEM：水系鋅電池的鋅沉積機(jī)理和壓力效應(yīng)：理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究

計(jì)算方法被用于探索電池系統(tǒng)，例如用于宏觀物理特性的有限元分析法、用于電子結(jié)構(gòu)的密度泛函理論 (DFT) 和用于原子運(yùn)動(dòng)、離子導(dǎo)電性和電解質(zhì)成分等原子現(xiàn)象的經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué) (CMD) 模擬。DFT 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算成本太高，無法模擬金屬沉積所需的時(shí)間或長(zhǎng)度尺度，而 CMD 無法模擬沉積過程中發(fā)生的鍵斷裂/形成過程。實(shí)驗(yàn)技術(shù)缺乏及時(shí)的原位和必要的分辨率來闡明精確的原子尺度細(xì)節(jié)。

在此，華南理工大學(xué)袁斌，香港科技大學(xué)羅正湯，加利福尼亞理工學(xué)院William A. Goddard Ill等人開發(fā)了一種基于量子力學(xué)數(shù)據(jù)的新反應(yīng)力場(chǎng)，用于描述鋅離子水系電池（ZIB）中鋅電極-電解質(zhì)界面（EEI）化學(xué)反應(yīng)的形成。這是首次利用反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)（RMD）模擬來跟蹤 EEI 中的鋅還原和負(fù)極結(jié)構(gòu)演變。

研究發(fā)現(xiàn)，在軸向壓力下鋅枝晶的形成受到抑制。在雙電層內(nèi)觀察到壓力誘導(dǎo)的鋅離子去溶劑化，促進(jìn)了更快的還原動(dòng)力學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)，軸向壓力通過降低成核過程中的軸向原子應(yīng)力和增加有利的橫向原子擴(kuò)散來穩(wěn)定 (002) 平面上的原子，從而減少大尺度枝晶的形成。最后，實(shí)驗(yàn)表征和電化學(xué)測(cè)試證實(shí)了這些結(jié)果。

圖1. 有壓力和無壓力的情況下，模擬電解質(zhì)-電極界面上的鋅離子擴(kuò)散、去溶劑化和還原

總之，該工作使用新的 ReaxFF 模擬了鋅電沉積，并探索了大規(guī)模反應(yīng)化學(xué)體系中 EEI 的擴(kuò)散和去溶劑化、電荷分布、成核和枝晶形成過程。作者從 ReaxFF MD 模擬和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)擴(kuò)散和還原動(dòng)力學(xué)的合理控制，加入適量壓力（10 bar）可提高性能和無枝晶生長(zhǎng)，在成核過程中還可誘導(dǎo)電極晶體取向。

此外，壓力增強(qiáng)的離子傳輸有效克服了無壓力下的質(zhì)量傳輸限制，并在 EEI 處形成較小的溶劑化鞘，從而促進(jìn)更快的還原動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致較低的沉積過電位和快速的電荷轉(zhuǎn)移。由于沿 Z 軸的表面原子張力降低，有利于鋅生長(zhǎng)方向的沉積得以實(shí)現(xiàn)。這些 ReaxFF MD 模擬補(bǔ)充了作者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，全面解釋了 EEI 反應(yīng)現(xiàn)象。因此，該項(xiàng)工作能引發(fā)有關(guān)金屬沉積機(jī)理和界面化學(xué)的科學(xué)討論，為改進(jìn)電池奠定基礎(chǔ)。

圖2. 離子沉積模擬

The Zn Deposition Mechanism and Pressure Effects for Aqueous Zn Batteries: A Combined Theoretical and Experimental Study,?Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202303047

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