大連化物所實(shí)現(xiàn)高面容量、高電流密度下的鋅沉積過程

圖靈膜的表面條紋、配位銅離子攜手實(shí)現(xiàn)均勻鋅沉積過程

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部研究員李先鋒團(tuán)隊(duì)在鋅基電池的膜材料研究中取得進(jìn)展。研究人員通過膜材料的結(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，并對膜結(jié)構(gòu)調(diào)控鋅沉積過程的機(jī)理進(jìn)行了研究和探討。

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、與水性電解質(zhì)具有良好的相容性等優(yōu)勢，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有應(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嚴(yán)重，影響電池的循環(huán)壽命。

該研究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），能夠?qū)崿F(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能夠通過控制微區(qū)載流子通量，從而有效調(diào)節(jié)Zn(OH)₄^2-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)₄^2-相互作用，可進(jìn)一步誘導(dǎo)鋅的均勻沉積。結(jié)果表明，在80 mA/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160 mAh/cm²的超高面容量條件下穩(wěn)定工作。該研究為高穩(wěn)定鋅基二次電池的開發(fā)提供了新思路。

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，于近日發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc.）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院電化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”等的支持。