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水系鋅離子電池面臨的挑戰(zhàn)

鋰電聯(lián)盟會長 ? 來源:鋰電聯(lián)盟會長 ? 作者:鋰電聯(lián)盟會長 ? 2022-07-21 15:04 ? 次閱讀
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在“雙碳”戰(zhàn)略背景下,積極發(fā)展新能源和清潔能源是必行之事。而具有高能量密度、成本低、安全環(huán)保等優(yōu)點的鋅離子電池,有望取代鋰離子電池成為新型便攜式能源儲存設(shè)備。在眾多的水系可充電電池候選產(chǎn)品中,鋅離子電池已成為大規(guī)模儲能系統(tǒng)的最佳選擇之一。然而,鋅負極中的枝晶、腐蝕和副反應(yīng)等問題限制了鋅離子電池的發(fā)展。三維鋅負極的構(gòu)建對于緩解鋅負極所面臨的問題具有一定現(xiàn)實的意義。

近日,華北理工大學(xué)何章興教授、吉首大學(xué)吳賢文教授聯(lián)合廈門大學(xué)張橋保教授等團隊首次從三維結(jié)構(gòu)的新角度對鋅負極進行全面的綜述,可以快速了解這一領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向,有利于從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度發(fā)展高性能鋅離子電池。 其成果以題為“A review on 3D zinc anodes for zinc ion batteries”在國際知名期刊Small Methods,2022,2200597上發(fā)表。本文第一作者為華北理工大學(xué)郭娜,通訊作者為華北理工大學(xué)何章興教授、吉首大學(xué)吳賢文教授和廈門大學(xué)張橋保教授。該工作還得到了加州大學(xué)圣地亞哥分校劉豪東博士,廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院梁漢鋒教授的指導(dǎo)、幫助與支持。 【研究亮點】

本文總結(jié)了近年來鋅負極面臨的挑戰(zhàn),如鋅枝晶、析氫和腐蝕、鈍化。

簡要介紹了鋅負極和三維(3D)鋅負極的儲能機制。

詳細總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)的三維鋅負極:純鋅負極、鍍鋅負極和其他的3D鋅負極。

闡述了三維鋅負極材料設(shè)計面臨的巨大挑戰(zhàn)和機遇。 【圖文導(dǎo)讀】

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圖1. 近年來3D鋅負極的代表性工作時間軸圖 三維鋅負極在近幾年經(jīng)歷著快速的發(fā)展和變化。由控制純鋅的顆?;蛄W臃植级纬啥嗫卒\負極逐步發(fā)展為鍍鋅負極。研究人員在鍍鋅基底材料上做了許多工作,從一種到多種材料復(fù)合逐漸摸索,才有了今天的成果。純鋅負極也從結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的顆粒演變成通過腐蝕或脫合金等方法形成的多孔鋅負極。

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圖2. 三維鋅負極的分類匯總圖 三維結(jié)構(gòu)的鋅負極可以分為純鋅負極和非純鋅負極。總結(jié)近些年的文章,純鋅負極具有多種結(jié)構(gòu),包括纖維狀鋅負極、多孔鋅負極和脊柱狀鋅負極;非純鋅負極的鍍鋅負極因基底材料的不同,分為金屬材料鍍鋅負極、碳材料鍍鋅負極和其他材料的鍍鋅負極,非純鋅負極還有通過其他方式形成的3D鋅負極。

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圖3. 三維鋅負極儲能機制 鋅離子電池的儲能機制,簡單來說,就是鋅金屬與鋅離子的轉(zhuǎn)化過程,放電過程中,負極上的鋅轉(zhuǎn)化為鋅離子,充電過程中,溶液中的鋅離子轉(zhuǎn)化為金屬鋅。在三維結(jié)構(gòu)中儲能也是同樣的過程,不同之處是:鋅離子轉(zhuǎn)為鋅金屬是不單單發(fā)生在負極表面,可以通過三維結(jié)構(gòu)的孔隙發(fā)生在內(nèi)部,從而加速反應(yīng)的動力學(xué)過程。

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圖4. 純鋅負極 純鋅負極的結(jié)構(gòu)示意圖和表征表明這些3D結(jié)構(gòu)可以有效增大鋅負極的比表面積,并且可以改變離子遷移通道,為充放電過程中鋅離子的均勻沉積提供有利條件,從而抑制鋅枝晶生長進一步提升電池的性能。

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圖5. 金屬基底鍍鋅負極 由于金屬材料具有良好的導(dǎo)電性,它能夠加速電極反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移。此外,使用具有親鋅性的金屬(銅網(wǎng),泡沫銅,多孔銅,鎳納米管、多孔鈦等)有利于形成鋅的活性成核位點,實現(xiàn)鋅離子均勻沉積,調(diào)控界面電場,實現(xiàn)無枝晶的鋅負極,延長電池的運行壽命。

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圖6. 碳基材料基底鍍鋅負極 碳材料因其可用性高、結(jié)構(gòu)通用性強、制造工藝方便等特點成為目前最受歡迎的候選材料,在電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。碳基材料一般具有較大的比表面積,可以為鋅的成核提供豐富位點,避免枝晶的產(chǎn)生,保證鋅離子的均勻沉積。碳基材料改性鋅負極是優(yōu)化水系鋅離子電池電化學(xué)性能的有效策略。

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圖7.其他方法獲得的3D鋅負極 除了廣泛使用的電鍍方法,還有一些其他方法獲得3D鋅負極,如碾壓法、真空抽濾法和熔融合金法等。這類方法大多操作簡便,符合電極改性和設(shè)計的基本要求。其中,合金策略是近期比較熱門的方法,通過引入異質(zhì)元素,可以抑制鋅枝晶的生長,同時還能減輕電極副反應(yīng)的發(fā)生,從而有效提升電池的電化學(xué)性能。

【結(jié)論】

本文全面總結(jié)了水系鋅離子電池面臨的挑戰(zhàn),包括枝晶生長、析氫和腐蝕以及鈍化問題。簡單介紹了鋅負極以及3D鋅負極的儲能機理。隨后詳細討論了具有不同結(jié)構(gòu)的三維鋅負極。最后,強調(diào)了3D鋅負極材料設(shè)計面臨的巨大挑戰(zhàn)和機遇,并對3D結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出一些建議:(1)多角度觀點共同提升鋅負極性能;(2)合理選擇基底材料穩(wěn)定鋅負極;(3)基底材料改性方向提升電池性能;(4)綜合考慮構(gòu)建3D鋅負極。我們希望所做的工作能夠為鋅離子電池的發(fā)展做出貢獻。

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圖8. 三維鋅負極未來研究方向建議圖

審核編輯 :李倩

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原文標題:鋅離子電池三維結(jié)構(gòu)鋅負極的挑戰(zhàn)、儲能機制、分類及展望

文章出處:【微信號:Recycle-Li-Battery,微信公眾號:鋰電聯(lián)盟會長】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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