新材料讓水系鋅離子電池更安全、更長壽

李禾

水系鋅離子電池被認為是最具潛力的可持續(xù)儲能技術之一，但因其面臨著枝晶生長、析氫、腐蝕等問題，限制了電池的循環(huán)壽命，影響了其產(chǎn)業(yè)化進程。

5月23日，筆者從華北電力大學獲悉，該校能源動力與機械工程學院儲能電池材料與應用技術研究所所長、材料科學與工程教研室主任田華軍教授團隊通過低成本、快速、通用的合成技術，制備出的三維鋅基合金界面材料能有效抑制電池負極表面的枝晶生長等，助力生產(chǎn)高安全、長循環(huán)、高性能水系鋅離子電池，也為其他新型電化學儲能體系的開發(fā)，提供了技術和理論指導。相關研究成果近日發(fā)表在國際學術期刊《自然·通訊》上。

電池鋅負極存在枝晶、析氫與腐蝕問題

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兩個電極間的往復穿梭來存儲和釋放電能。

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，具有理論上更長的鋅負極循環(huán)壽命。而且鋅離子電池的原材料鋅儲量豐富，電池裝配、儲存、運輸和維護又相對簡單，因此被認為在大規(guī)模儲能領域具有更加廣闊的應用前景。

與鋰電池采用高度可燃性的有機電解液不同，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、易爆等問題，具有安全性高、環(huán)保性好、成本低等優(yōu)勢，在電子設備和儲能系統(tǒng)中廣受關注。但是作為負極的金屬鋅，在水系電解液中存在著嚴重的枝晶、析氫、金屬腐蝕等有害副反應，從而阻礙了水系鋅離子電池的大規(guī)模應用。

田華軍解釋，枝晶是指充放電過程中，鋅離子會在鋅負極上發(fā)生不均勻沉積，從而使電池負極上出現(xiàn)樹枝狀金屬鋅晶體。在電池充放電過程中，枝晶還會不斷長大，最終刺穿隔膜與正極接觸，導致電池因內(nèi)部短路而失效。析氫是指作為電解液溶劑的水，在電池充放電過程中會分解、釋放氫氣，導致電池脹氣，甚至爆炸。腐蝕主要是由于金屬鋅較為活潑，會自發(fā)地與水發(fā)生化學反應，從而持續(xù)消耗鋅負極材料和電解液，導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題

“我們團隊研發(fā)的三維納米結構鋅基合金界面材料，用作水系鋅離子電池負極材料，以解決枝晶等問題。”田華軍說，新的負極材料的三維結構類似于一個個“小房子”，鋅離子會自動進入“小房子”中，即優(yōu)先沉積在鋅基合金界面材料的三維結構內(nèi)而不是聚集在表面，從而阻止了枝晶生長。同時，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，從而解決了鋅負極界面不穩(wěn)定等問題，延長了鋅負極的壽命。該鋅基合金界面材料表面還自然形成了一層鋅銅合金層，使負極電極表面強度增加、電化學穩(wěn)定性增強，明顯提高抗腐蝕性能。

為了更好地研究新材料的性能，田華軍帶領團隊開發(fā)并利用原位光學顯微鏡，研究低電流密度、高電流密度下三維納米結構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)鋅沉積和溶解反應過程，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，其應用場景包括偏遠地區(qū)的微網(wǎng)、通信設備、樓宇備用電源等。

“我們還通過一種低成本、快速、目前通用的合成技術，制備了一系列具有功能表面結構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，該制備工藝可以在室溫下進行，不需要任何煅燒處理，還可以在環(huán)境友好的水溶液中進行制備，生產(chǎn)和反應時間非常短，只需幾十分鐘就可以完成，適宜未來的工業(yè)化生產(chǎn)。“這也使得該負極改性修飾制備材料技術，在成本可控、效益提升以及大規(guī)模生產(chǎn)大型高安全性的儲能電池系統(tǒng)方面，應用前景廣闊。”田華軍說。