鋅金屬電池
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-06
鋅金屬電池的實(shí)例教程
在這方面，含水鋅金屬電池是最有吸引力的候選電池之一，因?yàn)?em>鋅具有理論容量高、導(dǎo)電性好、電位適當(dāng)和本質(zhì)安全的優(yōu)點(diǎn)。由于水電解質(zhì)的窗口狹窄，水基金屬電池的能量密度遠(yuǎn)低于非水電池；盡管如此，一些開(kāi)創(chuàng)性的工作已經(jīng)通過(guò)使用“鹽中水”電解質(zhì)成功地拓寬了水電解質(zhì)的窗口。因此，開(kāi)發(fā)具有高容量和操作潛力的先進(jìn)負(fù)極有望提高其能量密度。另一方面，開(kāi)發(fā)高容量的鋅水電池正極材料有望提高其能量密度，但也具有很大的挑戰(zhàn)性。
來(lái)自武漢大學(xué)汪的華，華中科技大學(xué)蔣凱團(tuán)隊(duì)提出并系統(tǒng)研
究了三種硒硫固溶體及其復(fù)合物(SeS14@3D-NPCF、SeS5.76@3D-NPCF和SeS2.46@3D-NPCF)。由于硒的引入及其與硫的協(xié)同效應(yīng)，它們的物理和電化學(xué)性質(zhì)受到影響。特別是，通過(guò)優(yōu)化這些復(fù)合材料中的硒含量，SeS5.76@3D-NPCF顯示出1222 mAh/g的容量和0.71V(0.2A/g)的穩(wěn)定電壓，達(dá)到867.6 Wh/kg(基于SeS5.76)的超高能量密度，5A/g時(shí)713 mAh/g的卓越額定容量，以及500次循環(huán)后75%容量保持率的穩(wěn)定循環(huán)。此外，鋅的儲(chǔ)存動(dòng)力學(xué)由放電過(guò)程決定，在此過(guò)程中Se5.76@3D-NPCF轉(zhuǎn)化為硒化鋅和硫化鋅。更重要的是，理論計(jì)算表明Se可以調(diào)整S的電子密度分布、能帶結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能，從而提高其導(dǎo)電性和反應(yīng)性，進(jìn)而促進(jìn)與Zn的電化學(xué)反應(yīng)。這項(xiàng)工作探索了高性能轉(zhuǎn)換負(fù)極材料的水鋅金屬電池，并提出了一個(gè)高效策略用以改變其內(nèi)在性質(zhì)。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202101237
圖1|a)光學(xué)照片，b)電導(dǎo)率，c)XRD。
展開(kāi) 其中，水基鋅金屬電池因其理論容量高(820mAh g?1或5855mAh cm?3)和低還原電位(?0.76V對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極)而備受關(guān)注。然而，鋅金屬電池仍存在一些關(guān)鍵問(wèn)題，如枝晶生長(zhǎng)失控、電解液腐蝕嚴(yán)重、析氫低等。電沉積不均勻和耐蝕性差是獲得穩(wěn)定鋅金屬陽(yáng)極的根本障礙。電極表面/界面的特性與其性能密切相關(guān)。
來(lái)自河北工業(yè)大學(xué)等單位的學(xué)者通過(guò)一種簡(jiǎn)單的酸蝕方法對(duì)(002)Zn面裸露的Zn表面進(jìn)行改性，原位生成的鋅化合物在鋅電極上形成了一個(gè)界面層，具有很強(qiáng)的粘附性，可以增強(qiáng)鋅離子的動(dòng)力學(xué)，從而調(diào)節(jié)鋅電極的沉積/溶解行為。本文選擇了多種具有功能性陽(yáng)離子的酸，其中磷酸對(duì)鋅的蝕刻具有更高的織構(gòu)程度，并產(chǎn)生更致密的層。所制得的磷酸鋅電極在對(duì)稱型和全鋅金屬電池中具有穩(wěn)定的循環(huán)性能和快速的動(dòng)力學(xué)性能。本研究為高性能水基金屬鋅陽(yáng)極的表面和界面聯(lián)合改性提供了一個(gè)新的實(shí)例。
展開(kāi) 【引言】
金屬鋅（Zn）因其理論容量高（820 mAhg-1），電位低（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極為-0.762
V），資源豐富，低毒性被認(rèn)為是水系電池的理想負(fù)極材料。然而，堿性電解質(zhì)中的鋅負(fù)極持續(xù)遭受由其沉積/溶解的低庫(kù)侖效率（CE），循環(huán)過(guò)程中的樹(shù)枝狀晶體生長(zhǎng)，持續(xù)的水消耗和不可逆的副產(chǎn)物如氫氧化鋅或鋅酸鹽引起的嚴(yán)重不可逆性問(wèn)題。雖然中性電解質(zhì)中鋅枝晶的形成可以被最小化，但其低庫(kù)侖效率仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在大多數(shù)之前的報(bào)道中，必須使用高充電/放電速率來(lái)減少可逆性對(duì)循環(huán)壽命的影響，并且經(jīng)常需要定期補(bǔ)充電解質(zhì)以補(bǔ)償水分解。鋅還必須大量過(guò)量使用以補(bǔ)償其副反應(yīng)的消耗量，這導(dǎo)致其理論比容量未被充分利用。因此，鋅負(fù)極的開(kāi)發(fā)仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的王春生教授聯(lián)合美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室許康研究員（共同通訊作者）報(bào)道了高濃度的Zn離子電解質(zhì)（以下稱為HCZE）。王飛博士（自然材料文章的第一作者）利用高濃度的基質(zhì)電解液中（1 mol Zn(TFSI)2 + 20 mol LiTFSI），Zn負(fù)極的庫(kù)倫效率達(dá)到接近100%，意味著非常好的可逆性。以Zn為負(fù)極，LiMn2O4或O2為正極進(jìn)行電池測(cè)試，使Zn電池具有前所未有的可逆性。前者功率為180Whkg-1，4000次循環(huán)下仍保持80％的容量，而后者的輸出功率為300 W h kg-1，循環(huán)次數(shù)大于200次。結(jié)構(gòu)和光譜研究結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，這種優(yōu)異的Zn可逆性源于高濃度含水電解質(zhì)中Zn2+獨(dú)特的溶劑化結(jié)構(gòu)。由于TFSI陰離子的高濃度，迫使它們進(jìn)入Zn2+附近，從而形成緊密離子對(duì) (Zn-TFSI)+，并顯著抑制(Zn-(H2O)6)2+的存在。這一機(jī)理為高效利用鋅提供了一條新的途徑，可用于高安全性的先進(jìn)能源儲(chǔ)存應(yīng)用，并可能用于其他多價(jià)陽(yáng)離子電池，這些多價(jià)陽(yáng)離子通常具有較差的可逆性和緩慢的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。
展開(kāi) 研究背景
在各類二次電池中，以鋅金屬作為負(fù)極的水系鋅離子電池具有成本低，資源豐富、安全無(wú)毒、理論比容量高等綜合優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有潛力的大規(guī)模儲(chǔ)能電池體系。然而，鋅金屬負(fù)極的枝晶與腐蝕問(wèn)題，損害著電池壽命，阻礙其走向應(yīng)用。由于鋅金屬的枝晶和腐蝕問(wèn)題與鋅離子的傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)都有關(guān)，所以鋅負(fù)極優(yōu)化的關(guān)鍵在于同時(shí)調(diào)控鋅離子的傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)。
基于此，中南大學(xué)潘安強(qiáng)/常智教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由無(wú)機(jī)鐵電材料誘發(fā)的Maxwell–Wagner極化電場(chǎng)，可一方面引導(dǎo)鋅離子進(jìn)行有序遷移，均勻沉積，另一方面可去除鋅離子溶劑鞘結(jié)構(gòu)中的水分子，抑制腐蝕，提高電極可逆性。受益于這種協(xié)同作用，鋅負(fù)極在Maxwell–Wagner極化電場(chǎng)的作用下，Zn||Zn和Zn||Cu電池中分別表現(xiàn)出1400 h的循環(huán)壽命和99.9%的高庫(kù)侖效率。水NH4V4O10||Zn在2000個(gè)循環(huán)中容量保持132 mA h g-1。組裝的軟包電池性能優(yōu)越，在嚴(yán)苛的條件下，可以穩(wěn)定循環(huán)超150圈，無(wú)明顯產(chǎn)氣和漏液現(xiàn)象。其成果以題為 "Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries" 在國(guó)際著名期刊Small上發(fā)表。
展開(kāi) （b）最終的完整電池，（c）機(jī)械彎曲，（d）扭曲和（e）拉伸的照片。
圖
5.
（a）不銹鋼/電解質(zhì)/不銹鋼電池中以鋅箔為參比電極的PAM水凝膠電解質(zhì)的CV曲線，掃描速率為0.2至2.0 V之間的0.2 mV s
–1
。（b）CV曲線 以1 mV s–1處的鋅陽(yáng)極（紅線）和α-MnO2陰極（藍(lán)線）的角度，其中PAM水凝膠電解質(zhì)介于兩者之間，并且以鋅箔作為參比電極。（c）完全組裝的透明全電池的透光率和照片（插圖）。（d）透明無(wú)應(yīng)變電池的前五個(gè)循環(huán)的CV曲線，掃描速度為0.1 mV s
–1
，介于1和1.8 V之間。（e）透明無(wú)應(yīng)變電池在1 C電流密度下的循環(huán)性能。（f）透明無(wú)應(yīng)變
電池在
1 C，電流密度為1 C時(shí)的第1次，第10次，第100次和第120次循環(huán)的GCD曲線。
圖
6.
（a）透明鋅離子電池在50％應(yīng)變下的照片。（b）頂部電極在50％應(yīng)變下的光學(xué)顯微鏡圖像。（c）在0–50％應(yīng)變下整個(gè)細(xì)胞的透光率。（d）透明電池在0–50％應(yīng)變下的GCD分布圖，并在1 C的電流密度下釋放到初始狀態(tài)。（e）透明電池在0–50％應(yīng)變下在120循環(huán)下的循環(huán)性能 電流密度為1C。（f）透明鋅離子電池在0–50％應(yīng)變下的奈奎斯特圖。
參考文獻(xiàn)
：
doi.org/10.1021/acsaem.1c00958
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：「
高分子材料科學(xué)
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【往期回顧】
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<p><img src="https://img.jishulink.com/static/web/attachment.png" style="display:inline;vertical-align: middle;width: 24px;
，以鋅金屬作為負(fù)極的水系鋅離子電池具有成本低，資源豐富、安全無(wú)毒、理論比容量高等綜合優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有潛力的大規(guī)模儲(chǔ)能電池體系。
來(lái)源 | 高分子科學(xué)前沿
鋰(Li)金屬電極由于其超高的理論比容量(3860mAh g
-1)和最低的電化學(xué)電位(-3.040 V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極)，可以滿足下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度要求。然而，鋰金屬電池(LMB)的商業(yè)化有兩個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：不可控的鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題和不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)問(wèn)題。(1)由于循環(huán)過(guò)程中負(fù)極側(cè)不均勻的鋰沉積，不可控的鋰枝晶生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電池庫(kù)侖效率
面對(duì)環(huán)境惡化和化石燃料儲(chǔ)備日漸消耗的困境，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)清潔和可持續(xù)能源的需求尤為迫切。水系鋅離子電池（ZIBs）由于其元素儲(chǔ)量豐富、不易燃、低毒、高能量密度，環(huán)境友好和易于制造的工藝等特點(diǎn)被認(rèn)為是下一代能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的理想選擇。然而，鋅電極表面的枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng)（如腐蝕、析氫反應(yīng)）顯著降低ZIBs的庫(kù)倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值及可行性
盡管液-固界面在科學(xué)領(lǐng)域是最基礎(chǔ)的概念，但由于現(xiàn)有工具在納米尺度上同時(shí)研究液相和固相方面存在缺陷，因此，描述這種精細(xì)的界面仍然不盡于人意。這將導(dǎo)致人們對(duì)電池系統(tǒng)中關(guān)鍵界面的結(jié)構(gòu)和化學(xué)的理解有很大的差距。
在此，來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)的Wah Chiu
液體電解質(zhì)（LE）不僅存在泄露和可燃性問(wèn)題，而且在鋰金屬電池（LMB）充放電過(guò)程中存在枝晶鋰的生成和過(guò)熱現(xiàn)象，造成可怕的安全隱患。而由功能性的聚合物骨架材料和液體電解質(zhì)構(gòu)成的凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）擁有高的離子電導(dǎo)率，高的鋰離子遷移數(shù)，寬的電化學(xué)窗口和稀少的電解液泄露等優(yōu)勢(shì)，被廣泛深入地研究
蓋世汽車訊 據(jù)外媒報(bào)道，索爾維風(fēng)險(xiǎn)投資基金索爾維風(fēng)投（Solvay Ventures）對(duì)電池初創(chuàng)公司Sepion進(jìn)行投資。Sepion總部位于加利福尼亞，專門為采用鋰金屬陽(yáng)極和液體電解質(zhì)的電池提供先進(jìn)隔膜。該公司在此輪投資中共獲得1600萬(wàn)美元，由Fine Structure Ventures領(lǐng)投，其他氣候技術(shù)投資者參投。Sepion將使用此筆資金加速實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池的商業(yè)化
蓋世汽車訊 據(jù)外媒報(bào)道，廈門大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新策略，可用于制造無(wú)枝晶鋰金屬電池，其基礎(chǔ)是利用預(yù)隧穿石墨層在石墨中形成夾層和層內(nèi)原子通道。所獲得的原子通道，能夠支持鋰快速自由地?cái)U(kuò)散，并具有增強(qiáng)動(dòng)力學(xué)特性。
（圖片來(lái)源：greencarcongress）
以鋰作為儲(chǔ)能系統(tǒng)中的負(fù)極材料，
蓋世汽車訊 隨著能源需求日益增長(zhǎng)，以及化石燃料減少，利用可再生能源發(fā)電，具有重要意義。而且，對(duì)于工業(yè)進(jìn)步和人類福祉而言，能源存儲(chǔ)與能源生產(chǎn)同樣重要。超級(jí)電容器具有價(jià)格低、能量密度相對(duì)較高、比電容高、電容保留率高、可再生性等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具吸引力的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。
（圖片來(lái)源：AZOM）
作為各種儲(chǔ)能技術(shù)中的電極材料
電化學(xué)儲(chǔ)能具有效率高、模塊化、環(huán)境影響小和輔助設(shè)施依賴性低等優(yōu)勢(shì)，但高成本限制其在長(zhǎng)期儲(chǔ)能中的應(yīng)用。相比于其他電化學(xué)儲(chǔ)能方式，Zn電池具有明顯成本優(yōu)勢(shì)，但與抽水蓄能或壓縮空氣儲(chǔ)能等方式相比成本仍顯過(guò)高。提升Zn電池循環(huán)性能是降低成本的重要方式。Zn金屬表面在充電過(guò)程中形成的不均勻的多孔鍍層會(huì)降低庫(kù)倫效率、引起體積膨脹甚至導(dǎo)致電池短路，已經(jīng)成為影響Zn電池循環(huán)性能的重要因素。因此，對(duì)于Zn金屬電沉積
