中國科大揭示水系鋅基電池中鋅電溶解機(jī)理

中國教育報(bào)-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢(mèng)宇）近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)談鵬教授團(tuán)隊(duì)在水系鋅基電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，全面揭示了鋅電極的電溶解機(jī)理，為提升鋅電極的可逆性提供了新思路，相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》。

水系鋅基電池由于固有的安全性、環(huán)境友好、低成本和高能量密度，是理想的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，鋅電極不可逆的電化學(xué)溶解和沉積導(dǎo)致了不可控的枝晶生長(zhǎng)，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。不同于鋰離子電池，鋅基電池的起始運(yùn)行工步通常是放電過程，即鋅電極首先發(fā)生電溶解反應(yīng)，而非電沉積。然而，現(xiàn)有研究大多集中在鋅的電沉積行為上，電溶解特性卻被忽視。鋅的電溶解會(huì)改變其表面狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)后續(xù)過程造成影響。因此，對(duì)電溶解行為的全面理解有利于穩(wěn)定鋅電極的構(gòu)建。

該研究基于精拋的多晶鋅箔開展了不同運(yùn)行協(xié)議下的電溶解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著電流密度的升高，電溶解呈現(xiàn)“點(diǎn)—線—面”的行為轉(zhuǎn)變，且在較高電流密度下表現(xiàn)出強(qiáng)烈的擇優(yōu)晶面溶解屬性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征、測(cè)試和理論計(jì)算，揭示了鋅不同晶面之間的電溶解行為差異，發(fā)現(xiàn)（002）晶面最穩(wěn)定，而（110）晶面最易發(fā)生電溶解。

基于對(duì)電溶解行為和機(jī)理的理解，進(jìn)一步探究了電溶解對(duì)鋅電極空間和容量不可逆性的影響。形貌表征發(fā)現(xiàn)，沉積過程主要發(fā)生在電溶解形成的缺陷區(qū)域，從而表現(xiàn)出空間不可逆性；通過構(gòu)建傳質(zhì)—電化學(xué)耦合模型，揭示了電溶解形成的缺陷附近具有較高的離子濃度和局部電流密度，進(jìn)而決定了沉積過程中的成核位點(diǎn)和生長(zhǎng)速率。結(jié)合枝晶的外部濃度分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，闡明了“死鋅”的形成機(jī)理。

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過外延生長(zhǎng)構(gòu)建了擇優(yōu)取向的鋅電極，顯著抑制了溶解不均勻性，在對(duì)稱電池和全電池中顯著提升了循環(huán)壽命。該成果為改善鋅電極的可逆性提供了新思路，并可推廣到其他金屬電極的研究和應(yīng)用中。