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Nat. Commun.：中國科大陳維課題組在水系鋅電池研究中取得重要進展
來源：中國科學技術大學 2023-01-09
導讀：近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院陳維教授課題組在國際期刊Nature Communications發(fā)表了題為“Constructing robust interfaceforanode-free zinc batteries with ultrahigh capacities”的研究型論文。論文中設計了一種穩(wěn)定的金屬/金屬-鋅合金異質結界面層，實現了大面容量（200mAh/cm2）下無鋅枝晶的穩(wěn)定沉積和溶解反應以及高達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可再生能源的存儲能力。
水系鋅電池具有低成本、長壽命、高安全的特點，是下一代大規(guī)模儲能電池技術最有力的競爭者。然而鋅電池面臨一系列的問題，嚴重影響了其產業(yè)化進程：1）鋅負極存在不可控的副反應如枝晶生長、析氫等，限制了電池的循環(huán)壽命；2）鋅電池中過高的正負極比和較低的面容量降低了電池的能量密度；3）缺乏對Ah級大容量電池的性能研究及其在儲能系統(tǒng)中的應用探索。該論文設計了一種二維銻/銻鋅合金（Sb/Sb2Zn3）異質結界面層用于穩(wěn)定鋅在大面容量下的沉積/溶解。Sb/Sb2Zn3異質結界面在鋅沉積過程中表現出對鋅原子較強的吸附性及均勻的電場分布，從而實現了200 mAh/cm2超高面容量下無枝晶的鋅沉積/溶解（圖1）。此外，使用Sb/Sb2Zn3異質結構界面修飾的無鋅負極與溴正極結合裝配成了無負極鋅溴電池，顯示出274 Wh/kg的理論能量密度以及62Wh/kg的實際能量密度。容量為500毫安時的大容量鋅溴電池表現出超過400次的穩(wěn)定循環(huán)。進一步放大到1.5Ah的電池在不同的串并聯形式下均表現出優(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用的可再生能源儲存能力（圖2）。本論文通過設計金屬/金屬鋅合金異質結界面獲得了具有優(yōu)異性能的無負極鋅溴電池，這將為鋅電池在大規(guī)模儲能中的應用開辟新的道路。
圖1. Sb/Sb2Zn3異質結界面層穩(wěn)定鋅沉積的機理。a鋅沉積在鋅箔和Sb/Sb2Zn3異質結界面層上的示意圖;b鋅在鋅箔和Sb/Sb2Zn3異質結界面層上的吸附能;c, d鋅在鋅箔和Sb/Sb2Zn3異質結界面層上的電荷密度分布；e, f鋅箔和Sb/Sb2Zn3異質結界面層在鋅沉積過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能中的實際應用。a 大容量鋅溴電池結構示意圖；b 大容量鋅溴電池的實物圖；c容量為500 mAh電池的循環(huán)曲線; 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；e, f 9 Wh(6 V, 1.5 Ah)的鋅溴電池模組存儲可再生能源的應用展示。近年來，陳維教授課題組致力于大規(guī)模儲能電池的研究和應用開發(fā)，已在水系金屬離子電池儲能體系（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。中國科學技術大學化學與材料科學學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，中國科學技術大學化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心的陳維教授為該論文的通訊作者。大規(guī)模儲能電池系列研究工作得到中國科大人才團隊項目和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金的資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35630-6
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