鋅基電池材料研究新進(jìn)展：實(shí)現(xiàn)高面容量、高電流密度下鋅均勻沉積

近日，大連化物所儲(chǔ)能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員團(tuán)隊(duì)在鋅基電池的膜材料研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在高面容量、高電流密度條件下的鋅均勻沉積過程，并對(duì)膜結(jié)構(gòu)調(diào)控鋅沉積過程的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)地研究和探討。

　　可再生能源的快速發(fā)展，推動(dòng)了以鋅化學(xué)為基礎(chǔ)的高能量密度儲(chǔ)能器件的開發(fā)和研究。鋅二次電池具有成本低，安全性高，能量密度高，且與水性電解質(zhì)具有良好的相容性等優(yōu)勢(shì)，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。然而，鋅在沉積過程中容易產(chǎn)生鋅枝晶，在高面容量和高電流密度的工作條件下更為嚴(yán)重，影響電池的循環(huán)壽命。

　　團(tuán)隊(duì)提出了一種具有表面有序波動(dòng)條紋（Turing patterns）的新型聚合物膜（圖靈膜），可以實(shí)現(xiàn)在高面容量、高電流密度下的鋅均勻沉積過程。在該設(shè)計(jì)中，膜表面條紋的波峰和波谷可以通過控制微區(qū)載流子通量，從而有效地調(diào)節(jié)Zn(OH)42-的分布，并提供更多的鋅沉積空間。同時(shí)，膜形成過程中表面配位的銅離子與Zn(OH)42-相互作用，可進(jìn)一步誘導(dǎo)鋅的均勻沉積。結(jié)果表明，在80mA/cm2的高電流密度下，采用圖靈膜組裝的堿性鋅鐵液流電池可以在160mAh/cm2的超高面容量條件下穩(wěn)定工作。該工作為高穩(wěn)定鋅基二次電池的開發(fā)提供了新的思路。

　　相關(guān)研究成果以“Dendrite-Free Zinc-Based Battery with High Areal Capacity via the Region-Induced Deposition Effect of Turing Membrane” 為題，發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc.）上。該工作的第一作者是大連化物所DNL17的2018級(jí)博士研究生吳金娥。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項(xiàng)目的支持。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.1c04317

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