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電池研究 | 鋅離子電池三維結(jié)構(gòu)鋅負(fù)極的挑戰(zhàn)、儲(chǔ)能機(jī)制、分類及展望

時(shí)間：2022-07-25 來(lái)源： 瀏覽：

電池研究 | 鋅離子電池三維結(jié)構(gòu)鋅負(fù)極的挑戰(zhàn)、儲(chǔ)能機(jī)制、分類及展望

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電池
研究

導(dǎo)語(yǔ)

導(dǎo)讀： 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(diǎn)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的最佳選擇之一。然而，鋅負(fù)極中的枝晶、腐蝕和副反應(yīng)等問(wèn)題限制了鋅離子電池的發(fā)展。三維鋅負(fù)極的構(gòu)建對(duì)于緩解鋅負(fù)極所面臨的問(wèn)題具有一定現(xiàn)實(shí)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(tuán)隊(duì)首次從三維結(jié)構(gòu)的新角度對(duì)鋅負(fù)極進(jìn)行全面的綜述，可以快速了解這一領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方向，有利于從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度發(fā)展高性能鋅離子電池。

01 工作簡(jiǎn)介

其成果以題為“A review on 3D zinc anodes for zinc ion batteries”在國(guó)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(diǎn)】
? 本文總結(jié)了近年來(lái)鋅負(fù)極面臨的挑戰(zhàn)，如鋅枝晶、析氫和腐蝕、鈍化。
? 簡(jiǎn)要介紹了鋅負(fù)極和三維（3D）鋅負(fù)極的儲(chǔ)能機(jī)制。
? 詳細(xì)總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)的三維鋅負(fù)極：純鋅負(fù)極、鍍鋅負(fù)極和其他的3D鋅負(fù)極。
? 闡述了三維鋅負(fù)極材料設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1.  近年來(lái)3D鋅負(fù)極的代表性工作時(shí)間軸圖
三維鋅負(fù)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(fù)極逐步發(fā)展為鍍鋅負(fù)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(fù)極也從結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的顆粒演變成通過(guò)腐蝕或脫合金等方法形成的多孔鋅負(fù)極。
圖2. 三維鋅負(fù)極的分類匯總圖
三維結(jié)構(gòu)的鋅負(fù)極可以分為純鋅負(fù)極和非純鋅負(fù)極?？偨Y(jié)近些年的文章，純鋅負(fù)極具有多種結(jié)構(gòu)，包括纖維狀鋅負(fù)極、多孔鋅負(fù)極和脊柱狀鋅負(fù)極；非純鋅負(fù)極的鍍鋅負(fù)極因基底材料的不同，分為金屬材料鍍鋅負(fù)極、碳材料鍍鋅負(fù)極和其他材料的鍍鋅負(fù)極，非純鋅負(fù)極還有通過(guò)其他方式形成的3D鋅負(fù)極。
圖3. 三維鋅負(fù)極儲(chǔ)能機(jī)制
鋅離子電池的儲(chǔ)能機(jī)制，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是鋅金屬與鋅離子的轉(zhuǎn)化過(guò)程，放電過(guò)程中，負(fù)極上的鋅轉(zhuǎn)化為鋅離子，充電過(guò)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(chǔ)能也是同樣的過(guò)程，不同之處是：鋅離子轉(zhuǎn)為鋅金屬是不單單發(fā)生在負(fù)極表面，可以通過(guò)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(dòng)力學(xué)過(guò)程。
圖4.  純鋅負(fù)極
純鋅 負(fù) 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(fù) 極的比表面積，并且可以改變離子遷移通道，為充放電過(guò)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(zhǎng)進(jìn)一步提升電池的性能。
圖5. 金屬基底鍍鋅 負(fù) 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(guò)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋅離子均勻沉積，調(diào)控界面電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶的鋅 負(fù) 極，延長(zhǎng)電池的運(yùn)行壽命。
圖6. 碳基材料基底鍍鋅 負(fù) 極
碳材料因其可用性高、結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)、制造工藝方便等特點(diǎn)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(diǎn)，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(fù) 極是優(yōu)化水系鋅離子電池電化學(xué)性能的有效策略。
圖7. 其他方法獲得的3D鋅負(fù)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(fù)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(jiǎn)便，符合電極改性和設(shè)計(jì)的基本要求。其中，合金策略是近期比較熱門的方法，通過(guò)引入異質(zhì)元素，可以抑制鋅枝晶的生長(zhǎng)，同時(shí)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。

02  結(jié)論

圖8. 三維鋅負(fù)極未來(lái)研究方向建議圖
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(zhǎng)、析氫和腐蝕以及鈍化問(wèn)題。簡(jiǎn)單介紹了鋅負(fù)極以及3D鋅負(fù)極的儲(chǔ)能機(jī)理。隨后詳細(xì)討論了具有不同結(jié)構(gòu)的三維鋅負(fù)極。
最后， 強(qiáng)調(diào)了3D鋅負(fù)極材料設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇， 并對(duì)3D結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出一些建議： （1）多角度觀點(diǎn)共同提升鋅負(fù)極性能；（2）合理選擇基底材料穩(wěn)定鋅負(fù)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(fù)極。我們希望所做的工作能夠?yàn)殇\離子電池的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
【文獻(xiàn)鏈接】
Na Guo,Wenjie Huo, Xiaoyu Dong, Zhefei Sun, Yutao Lu, Xianwen Wu,* , Lei Dai, Ling Wang, Haichen Lin, Haodong Liu, Hanfeng Liang, Zhangxing He* , Qiaobao Zhang*. A review on 3D zinc anodes for zinc ion batteries. Small Methods，2022，2200597DOI: 10.1002/smtd.202200597.

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