鋅金屬負(fù)極自伏打電堆問世以來，因其價(jià)廉、儲(chǔ)量大、容量高等優(yōu)點(diǎn)在電池發(fā)展的長(zhǎng)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(duì)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(shí)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(shí)，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(guó)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(chǎng)景對(duì)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(chǎng)景下快速發(fā)展。如何保證鋅金屬電極在長(zhǎng)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(jí)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(cè)試。

基于以上分析，本工作通過組裝扣式鎳鋅電池，評(píng)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(shí)，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(zhǎng)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(cè)試。

同樣的，在基于扣式電池貧液條件下鋅空電池測(cè)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