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Nat. Commun.：中國(guó)科大陳維課題組在水系鋅電池研究中取得重要進(jìn)展
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2023-01-09
導(dǎo)讀：近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院陳維教授課題組在國(guó)際期刊Nature Communications發(fā)表了題為“Constructing robust interfaceforanode-free zinc batteries with ultrahigh capacities”的研究型論文。論文中設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定的金屬/金屬-鋅合金異質(zhì)結(jié)界面層，實(shí)現(xiàn)了大面容量（200mAh/cm2）下無(wú)鋅枝晶的穩(wěn)定沉積和溶解反應(yīng)以及高達(dá)274Wh/kg的鋅溴電池能量密度。另外，大容量鋅溴電池展示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，電池模組與光伏面板集成展示了其對(duì)可再生能源的存儲(chǔ)能力。
水系鋅電池具有低成本、長(zhǎng)壽命、高安全的特點(diǎn)，是下一代大規(guī)模儲(chǔ)能電池技術(shù)最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。然而鋅電池面臨一系列的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程：1）鋅負(fù)極存在不可控的副反應(yīng)如枝晶生長(zhǎng)、析氫等，限制了電池的循環(huán)壽命；2）鋅電池中過(guò)高的正負(fù)極比和較低的面容量降低了電池的能量密度；3）缺乏對(duì)Ah級(jí)大容量電池的性能研究及其在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用探索。該論文設(shè)計(jì)了一種二維銻/銻鋅合金（Sb/Sb2Zn3）異質(zhì)結(jié)界面層用于穩(wěn)定鋅在大面容量下的沉積/溶解。Sb/Sb2Zn3異質(zhì)結(jié)界面在鋅沉積過(guò)程中表現(xiàn)出對(duì)鋅原子較強(qiáng)的吸附性及均勻的電場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)了200 mAh/cm2超高面容量下無(wú)枝晶的鋅沉積/溶解（圖1）。此外，使用Sb/Sb2Zn3異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面修飾的無(wú)鋅負(fù)極與溴正極結(jié)合裝配成了無(wú)負(fù)極鋅溴電池，顯示出274 Wh/kg的理論能量密度以及62Wh/kg的實(shí)際能量密度。容量為500毫安時(shí)的大容量鋅溴電池表現(xiàn)出超過(guò)400次的穩(wěn)定循環(huán)。進(jìn)一步放大到1.5Ah的電池在不同的串并聯(lián)形式下均表現(xiàn)出優(yōu)異的放電電壓和效率。此外，能量為9 Wh (6 V,1.5 Ah) 的鋅溴電池模組與光伏板集成展示了其實(shí)用的可再生能源儲(chǔ)存能力（圖2）。本論文通過(guò)設(shè)計(jì)金屬/金屬鋅合金異質(zhì)結(jié)界面獲得了具有優(yōu)異性能的無(wú)負(fù)極鋅溴電池，這將為鋅電池在大規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用開(kāi)辟新的道路。
圖1. Sb/Sb2Zn3異質(zhì)結(jié)界面層穩(wěn)定鋅沉積的機(jī)理。a鋅沉積在鋅箔和Sb/Sb2Zn3異質(zhì)結(jié)界面層上的示意圖;b鋅在鋅箔和Sb/Sb2Zn3異質(zhì)結(jié)界面層上的吸附能;c, d鋅在鋅箔和Sb/Sb2Zn3異質(zhì)結(jié)界面層上的電荷密度分布；e, f鋅箔和Sb/Sb2Zn3異質(zhì)結(jié)界面層在鋅沉積過(guò)程中的電流密度分布。
圖2. 大容量鋅溴電池的研究及其在儲(chǔ)能中的實(shí)際應(yīng)用。a 大容量鋅溴電池結(jié)構(gòu)示意圖；b 大容量鋅溴電池的實(shí)物圖；c容量為500 mAh電池的循環(huán)曲線(xiàn); d 單體容量為1.5 Ah的鋅溴電池在不同連接形式下的放電曲線(xiàn)；e, f 9 Wh(6 V, 1.5 Ah)的鋅溴電池模組存儲(chǔ)可再生能源的應(yīng)用展示。近年來(lái)，陳維教授課題組致力于大規(guī)模儲(chǔ)能電池的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，已在水系金屬離子電池儲(chǔ)能體系（Nat. Commun.14 (2023) 76,Angew. Chem. Int. Ed.(2022) e202214966;Adv.Mater.34 (2022) 2203249;Adv.Energy Mater.12 (2022)2103352;Adv.Energy Mater.12(2022)2103705;Energy Storage Mater.47 (2022)113-121;Adv.Energy Mater.5 (2021) 2002904;eScience1 (2021) 178-185），可充電氫氣電池儲(chǔ)能體系（Chemical Reviews122 (2022) 16610-16751;Nat. Commun.13 (2022) 2805;J. Am. Chem. Soc.143(2021) 20302-20308;JACS Au2023;Adv. Funct. Mater.31 (2021) 2101024;Energy Storage Mater.42 (2021) 464-469;Mater. Today Energy19 (2021) 100603;Nano Lett.20 (2020) 3278-3283）等研究方向取得了一系列重要的階段性成果。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院的博士生鄭新華和博士后劉再春為該論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的陳維教授為該論文的通訊作者。大規(guī)模儲(chǔ)能電池系列研究工作得到中國(guó)科大人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金的資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35630-6
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