新材料让水系锌离子电池更安全、更长寿

发稿时间: 2023-05-25 09:19 来源:科技日报 作者: 李禾 2023-05-25
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水系锌离子电池被认为是最具潜力的可持续储能技术之一,但因其面临着枝晶生长、析氢、腐蚀等问题,限制了电池的循环寿命,影响了其产业化进程。

5月23日,科技日报记者从华北电力大学获悉,该校能源动力与机械工程学院储能电池材料与应用技术研究所所长、材料科学与工程教研室主任田华军教授团队通过低成本、快速、通用的合成技术,制备出的三维锌基合金界面材料能有效抑制电池负极表面的枝晶生长等,助力生产高安全、长循环、高性能水系锌离子电池,也为其他新型电化学储能体系的开发,提供了技术和理论指导。相关研究成果近日发表在国际学术期刊《自然·通讯》上。

电池锌负极存在枝晶、析氢与腐蚀问题

水系锌离子电池的工作原理与锂电池相似,即利用电解液中的锌离子在正负两个电极间的往复穿梭来存储和释放电能。

田华军介绍,与碱性电解液体系电池相比,基于中性或近中性水系电解液的锌离子电池技术,具有理论上更长的锌负极循环寿命。而且锌离子电池的原材料锌储量丰富,电池装配、储存、运输和维护又相对简单,因此被认为在大规模储能领域具有更加广阔的应用前景。

与锂电池采用高度可燃性的有机电解液不同,水系锌离子电池主要用水作为电解液溶剂,因此不存在锂电池的可燃、易爆等问题,具有安全性高、环保性好、成本低等优势,在电子设备和储能系统中广受关注。但是作为负极的金属锌,在水系电解液中存在着严重的枝晶、析氢、金属腐蚀等有害副反应,从而阻碍了水系锌离子电池的大规模应用。

田华军解释,枝晶是指充放电过程中,锌离子会在锌负极上发生不均匀沉积,从而使电池负极上出现树枝状金属锌晶体。在电池充放电过程中,枝晶还会不断长大,最终刺穿隔膜与正极接触,导致电池因内部短路而失效。析氢是指作为电解液溶剂的水,在电池充放电过程中会分解、释放氢气,导致电池胀气,甚至爆炸。腐蚀主要是由于金属锌较为活泼,会自发地与水发生化学反应,从而持续消耗锌负极材料和电解液,导致电池使用寿命大幅缩短。

新材料解决水系锌离子电池面临的问题

“我们团队研发的三维纳米结构锌基合金界面材料,用作水系锌离子电池负极材料,以解决枝晶等问题。”田华军说,新的负极材料的三维结构类似于一个个“小房子”,锌离子会自动进入“小房子”中,即优先沉积在锌基合金界面材料的三维结构内而不是聚集在表面,从而阻止了枝晶生长。同时,电解液里增加了含锌、铜等离子的溶剂,以减少水的活性,抑制析氢反应,从而解决了锌负极界面不稳定等问题,延长了锌负极的寿命。该锌基合金界面材料表面还自然形成了一层锌铜合金层,使负极电极表面强度增加、电化学稳定性增强,明显提高抗腐蚀性能。

为了更好地研究新材料的性能,田华军带领团队开发并利用原位光学显微镜,研究低电流密度、高电流密度下三维纳米结构锌基合金界面材料的形貌演变规律,证明了该材料有利于高效调节锌沉积和溶解反应过程,使枝晶形成的可能性最小化等。

目前,已经商业化的水系锌离子电池主要是基于碱性水系电解液的镍锌电池、锌锰电池,其应用场景包括偏远地区的微网、通信设备、楼宇备用电源等。

“我们还通过一种低成本、快速、目前通用的合成技术,制备了一系列具有功能表面结构的三维锌基合金界面材料,获得了具有超高倍率性能、高循环稳定性、高能量密度的水系锌离子电池器件。”田华军说,该制备工艺可以在室温下进行,不需要任何煅烧处理,还可以在环境友好的水溶液中进行制备,生产和反应时间非常短,只需几十分钟就可以完成,适宜未来的工业化生产。“这也使得该负极改性修饰制备材料技术,在成本可控、效益提升以及大规模生产大型高安全性的储能电池系统方面,应用前景广阔。”田华军说。

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