鋅金屬負(fù)極自伏打電堆問世以來，因其價廉、儲量大、容量高等優(yōu)點(diǎn)在電池發(fā)展的長河中始終備受關(guān)注。而目前商用的鋅基電池大多作為一次堿性電池為小型電子產(chǎn)品供電，因而發(fā)展可充電式的堿性鋅基電池，無論是促進(jìn)當(dāng)前商用電池的迭代（如鎳鋅，鋅錳電池等）還是推進(jìn)新型高能量密度鋅基電池（如鋅空電池等）都具有顯著的實(shí)際意義。

對于堿性鋅基電池，負(fù)極可逆循環(huán)的失效主要源自充放電過程中Zn與ZnO之間的相轉(zhuǎn)變所導(dǎo)致的鈍化、形狀變化、枝晶等，金屬Zn和ZnO在電導(dǎo)率、反應(yīng)活性和微結(jié)構(gòu)方面的差異破壞了電化學(xué)反應(yīng)的均勻性和電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。早期一些成果及本課題組之前的研究表明，構(gòu)建連續(xù)的三維鋅金屬導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以有效的實(shí)現(xiàn)Zn與ZnO之間的穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變。

【工作介紹】

近日，香港科技大學(xué)陳擎課題組等人利用電化學(xué)還原直接將ZnO粉末通過界面自組裝，轉(zhuǎn)化為雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的多孔鋅單體。該方法可根據(jù)需求設(shè)計(jì)不同的面容量，同時多孔鋅單體由納米Zn金屬纖維及相同尺度的孔道組成，該結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變的同時，有效保留電子及離子導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)，在堿性電池貧液及高DoD的循環(huán)條件下顯著提升了循環(huán)穩(wěn)定性。該文章發(fā)表在國際一流期刊Nature Communications上。李良昱為本文第一作者。

【內(nèi)容表述】

不同應(yīng)用場景對于電池的需求是多樣化的，很難由單一的技術(shù)來滿足。鋅基電池作為其中一支，正借助其高安全性、低成本，在相關(guān)應(yīng)用場景下快速發(fā)展。如何保證鋅金屬電極在長循環(huán)，高利用率下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)高能量密度堿性二次鋅電池的核心問題。本工作通過理解和設(shè)計(jì)利用還原過程中鋅金屬原子在固液界面處的自組裝形成雙連續(xù)的納米多孔結(jié)構(gòu)，提高了其在實(shí)際條件下的循環(huán)穩(wěn)定性及利用率，為解決鋅基電池中的技術(shù)難題提供了新的研究思路。

圖1 納米多孔鋅電極的設(shè)計(jì)原理。

本工作利用電化學(xué)還原，直接將壓實(shí)在泡沫銅集流體上的ZnO粉末通過類似于滲流溶解（percolation dissolution）的機(jī)理，形成具有雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的納米多孔鋅電極。該電極在堿性電池循環(huán)中可維持Zn核 / ZnO殼的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)ZnO和Zn粉末電極不均勻的結(jié)構(gòu)變化大相徑庭。

圖2 納米多孔鋅電極的形貌表征。

相關(guān)的形貌表征表明，合成的納米多孔鋅電極是由百納米級別的Zn金屬纖維相互交織形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且厚度方向上孔徑基本一致，結(jié)構(gòu)均一，具有典型的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)。

圖3 納米多孔鋅及鋅粉電極的原位光學(xué)研究。

通過原位光學(xué)顯微鏡從宏觀上觀察了充放電過程中Zn金屬負(fù)極整體的結(jié)構(gòu)演化。不同充放電階段下的結(jié)果表明，得益于納米多孔鋅負(fù)極的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，電極表面的宏觀形貌沒有發(fā)生明顯的變化，SEM證實(shí)在首次充放電循環(huán)后，電極保留了初始的三維連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)。而相比之下，傳統(tǒng)的Zn粉負(fù)極的電化學(xué)活性較低，且在首次充放電過程中表面形貌出現(xiàn)了明顯的變化，并伴隨著嚴(yán)重的副反應(yīng)。

圖4 納米多空鋅及鋅粉電極的原位電化學(xué)研究及圖像模擬。

放電過程中的原位電化學(xué)阻抗譜表明，相比于Zn粉電極，納米多孔鋅電極即使在深度放電的情況下，極化改變依然很小。而圖像模擬結(jié)果也證實(shí)了納米多孔鋅電極特有的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)可以在深度放電的情況下，依然保留大量的連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

圖5 基于不同鋅金屬電極的鎳鋅電池性能測試。

基于以上分析，本工作通過組裝扣式鎳鋅電池，評估不同Zn金屬負(fù)極在貧液、高DoD條件下的循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，基于納米多孔鋅電極的鎳鋅電池，在擁有高面容量的同時，其活性物質(zhì)利用率大幅提升，循環(huán)穩(wěn)定性在40%DoD不僅有了明顯的提升，甚至可以在60%DoD條件下實(shí)現(xiàn)較長的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖6 基于不同鋅金屬電極的鋅空電池性能測試。

同樣的，在基于扣式電池貧液條件下鋅空電池測試也證明了納米多孔鋅電極的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性，功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性都得到了大幅度的提升。

審核編輯 ：李倩