来源:Nano Research Energy 发布时间:2022/11/30 9:0:18
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北航张瑜/刘大鹏:锌基电池的最新进展和展望——锌负极和电解液

2022年11月16日,北京航空航天大学张瑜研究员和刘大鹏副教授发表题为“Recent advances and perspectives for Zn-based batteries: Zn anode and electrolyte”的关于锌基电池的最新综述。

锌基电池具有安全可靠、资源丰富、环境友好、成本低廉等优势,同时兼顾高理论能量密度的特性,是一种极具发展潜力的新型储能电池。然而由于水系电解液会引起一系列副反应,包括锌负极在循环过程中的枝晶生长、锌电极的变形、析氢腐蚀以及电解液的持续消耗等,使得锌基电池实际表现差强人意,例如循环寿命短、库仑效率低、容量衰减严重,极大的阻碍了锌基电池的发展和应用。

在该综述中,作者阐述了锌负极工作的基本原理,副反应产生的机理及其相互作用关系,重点总结了抑制副反应发生所采取的有效策略,并系统列出了锌负极和电解液改性的不同方法对锌基电池电化学性能的提升作用。首先,论文从三个方面介绍了锌负极优化方法,包括生长控制、界面调控和结构设计,从而均匀离子浓度和电场强度,实现锌均匀成核和生长的目的。电解液改性则主要从水系电解液、离子液体及固态电解质三个方面出发,对不同类型电解液的基本特性,探索研究中出现的问题和优化策略进行了总结。最后,探究了锌基电池在大规模储能中面临的挑战,并对锌基电池的未来研究方向进行展望。

图1:实现高性能锌基电池的策略,包括Zn负极及电解液改性。

图2:(a) 外延金属电沉积示意图; (b) 全电池的电压分布曲线; (c) 锌铝合金抑制枝晶和裂纹的共晶策略示意图。

图3:(a) 锌负极剥离/沉积行为示意图; (b) 锌箔上MXene层同步还原组装原理图; (c) 循环后锌负极的SEM表征。

图4:(a) Zn和Zn@In负极的LSV曲线及Zn(101)和In(101)表面的HER自由能图; (b) Zn原子不同面的结合能; (c) Zn和100Al2O3@Zn电极的电压容量图; (d) 在裸锌和ZnSe@Zn电极上锌沉积的原位光学显微镜照片。

图5:(a) 裸锌和PA涂层负载的锌沉积示意图; (b) 锌离子在NFZP复合镀层上的传输机理; (c) Zn/ex-ZrP结构。

图6:(a) Ni-Zn和Ni-3D Zn的充电示意图; (b) 裸CC和CNT电极的Zn成核电压-时间曲线和Zn成核过电位; (c) CM@CuO和CM的Zn沉积示意图。

图7:(a) 添加和不添加添加剂时LFP电极/电解质界面的接触角; (b) 不添加任何添加剂和添加Arg+的电解质枝晶抑制效果示意图; (c) 不同水浓度下[EMIm]OAc中1 M Zn(OAc)2的C-C和C=O的拉曼光谱。

相关论文信息:

H. Ge, X. Feng, D. Liu, et al. Recent advances and perspectives for Zn-based batteries: Zn anode and electrolyte. Nano Research Energy 2023, 2: e9120039 https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120039.

https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120039

Nano Research Energy Nano Research姊妹刊,(ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊,由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊,聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文,已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。2023年之前免收APC费用,欢迎各位老师踊跃投稿。

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