俄勒岡州立大學開發高性能的新型納米結構合金負極材料

俄勒岡州立大學工程學院的研究人員開發了一種由新型納米合金制備的負極材料，這種納米合金可能會顛覆儲能設備的設計和制造方式。這種以鋅和錳為主的合金，為更安全、更廉價、且儲量豐富的物質——海水取代電池電解液中常用的溶劑奠定了基礎。該研究結果發表在《Nature Communications》雜志上。

鋰離子電池中的電解質通常溶解在有機溶劑中，這些溶劑易燃，在高電壓下通常會分解，明顯存在安全隱患，其中還包括在電極-電解液界面形成的鋰枝晶，會導致短路。

水性電池可以作為安全、大規模儲能設備的替代品。水電解液成本低、環境友好、充電快且功率密度高、容錯能力強。但輸出電壓有限，且能量密度低(高能量密度電池儲能更多，而高功率密度電池放電更快)，妨礙其大規模利用。

俄勒岡州立大學、中佛羅里達大學和休斯頓大學的研究人員設計了一種用三維“鋅-M合金”構成的負極作為電池負極(其中M代表錳和其他金屬)。利用合金的特殊納米結構，來控制表面反應熱力學和反應動力學，不僅抑制了金屬枝晶的形成，而且在惡劣的電化學反應條件下，顯示出超高的穩定性，充電、放電循環超過數千次。鋅離子的電荷傳輸量是鋰的一倍，因此電池能量密度提高。研究采用海水代替高純去離子水作為電解液，對水性電池進行了測試。結果表明，這種電池具備大規模生產的潛力。

研究人員利用X射線吸收光譜和成像技術，在不同操作階段跟蹤負極原子及其化學變化，確認3D合金在電池中如何發揮作用。理論和實驗結果證明，3D合金負極材料界面極其穩定，這是通過鋅在合金表面的良好擴散通道實現的。研究人員稱，這項合作研究所展示的概念很可能會為水性和非水性電池高性能負極材料的設計帶來根本性的轉變。