EES:鋅原子間軌道雜化和單空位碳缺陷實現水系鋅離子液流電池無枝晶鋅電沉積

2021-02-28 學研加

水系鋅離子液流電池因其不易燃性和高能量密度可作為一種具有吸引力的儲能裝置。然而，鋅枝晶的形成會導致電池內部短路和容量下降，限制了鋅基液流電池的長期運行。

有鑑於此，韓國科學技術院（KAIST）Hee-Tak Kim報導了具有異常強的Zn和缺陷碳表面的軌道雜化，其可以阻止Zn表面的擴散以實現無枝晶的Zn電沉積。


文章要點：

1）研究發現，在碳氈(CF)的無缺陷碳表面，通過Zn吸附原子或晶核的表面擴散，造成了不理想的Zn團聚，從而引發了碳纖維尖端局部Zn的沉積，並形成了Zn枝晶。相反，單空位缺陷的不飽和懸鍵引起Zn軌道和sp2碳軌道的強烈重疊，從而有效地抑制了Zn在沉積初期的聚集。隨後鋅核的生長導致附近的核連接，覆蓋在碳纖維表面，導致鋅沉積在三維碳架中緻密堆積。因此，利用缺陷碳表面，在高電流密度(超過100 mA cm2)下，可有效地抑制Zn枝晶的形成。

2）含缺陷碳層電極的Zn-Br電池在100 mA cm2和20 mA h cm2下，經過5000次循環後，具有97%的庫侖效率。

該研究基於原子學層面，提出缺陷碳結構對鋅電沉積影響，並論證了先進鋅電池材料設計策略的有效性。


Ju-Hyuk Lee, et al, Dendrite-free Zn electrodeposition triggered by interatomic orbital hybridization of Zn and single vacancy carbon defects for aqueous Zn-based flow batteries, Energy Environ. Sci., 2020

DOI：10.1039/D0EE00723D

https://doi.org/10.1039/D0EE00723D

能源谷組建了多個高水平碩士博士交流群，群內成員主要來源於中國科學院，北京大學，浙江大學，香港大學，清華大學，中山大學，香港理工大學，萊斯大學，波士頓大學等，歡迎您的加盟。溫馨提示：進群可以先加小編微信號（sci-huoxiongmao），或者是長按二維碼，添加小編，備註暱稱+單位+研究方向，謝謝

相關焦點

  • 鋅均勻沉積誘導策略提升鋅基電池性能—新聞—科學網
    近日，中科院大連化學物理研究所李先鋒研究員、張華民研究員團隊，提出了一種利用磁控濺射技術在3D多孔碳氈電極上濺射金屬錫層的策略，在水系鋅基電池中實現了對鋅沉積形貌的誘導 鋅負極具有本徵電極電勢較低、動力學快、循環性好、儲量豐富等特點，在鋅-溴、鋅-碘、鋅-鈰、鋅-鐵液流電池，鋅-鎳電池、鋅-空氣電池以及鋅離子電池等領域受到研究者廣泛關注。
  • 構築更好的鋅離子電池
    值得注意的是，鋅在鹼性介質中的腐蝕行為與在酸性/中性溶液有很大的不同，當pH> 5.8時，鋅表面的腐蝕產物以氧化鋅為主。鋅枝晶的形成在很大程度上取決於局部電流密度和電解質的pH值。儘管鋅負極在鹼性電解質中具有較高的鋅鹽溶解度和較高的工作電位，但與使用弱酸或中性電解液相比，其枝晶生長和形狀變化更為嚴重。在水系鋅離子電池中，負極主要採用鋅箔、多孔鋅粉、鋅化合物、有機電極等。
  • 評述:水系可充鋅電池的發展及挑戰
    近年來，基於微酸性電解液的水系可充鋅電池由於其安全性高、成本低、容量高且環境友好，再次引起了研究人員的極大興趣和深入研究。在使用該電解液的水系可充鋅電池中，鋅金屬在放電時形成Zn2+，不會產生氫氧化鋅和氧化鋅等副產物，並且充放電過程可逆性高。然而，在水系可充鋅電池電極、電解質和整個電池系統的開發中仍存在許多亟須解決的問題。
  • 水系鋅離子電池中鋅陽極面臨的問題與解決策略|Carbon Energy
    環保，安全，低成本，高能量密度的電化學儲能裝置是未來新能源產業發展的一個重要方向。
  • 北京大學在複合膜調控水系鋅離子電池實現超長循環取得突破
    水系鋅離子電池具有高安全性、低成本等優勢，因而成為下一代具有產業化前景的儲能技術之一。但水系鋅離子電池商業化應用面臨鋅負極上鋅枝晶生長、電解液析氫、鹼式硫酸鋅副產物生成等問題。通常有機塗層可以有效阻止陰離子、自由水與鋅負極接觸，隔離陰離子可以有效緩解鋅離子沉積過程中陰離子聚集引起的空間電場不均問題，達到鋅離子均勻沉積的目的，同時還可以隔離陰離子、自由水與鋅負極接觸還可以有效抑制電池主要的副反應，但目前採用的有機塗層缺乏鋅離子傳輸通道，導致電池極化增大，而水系鋅離子電池電化學窗口較窄，極化增大對水系鋅電池的發展非常不利。
  • 中南大學：調控保護層晶體取向，大大提升鋅負極壽命
    導讀：本文通過第一性原理計算，利用氫氟酸處理得到的高晶體取向性TiO2，成功實現了對鋅金屬負極的防護，避免了鋅電極在充放電過程中的枝晶生長。這一研究大大提高了鋅負極實際商用的可能性，同時這一思路也可以推廣到其他金屬電池中。
  • 深圳先進院水系鋅離子儲能器件研究取得新進展
    近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究員及其團隊聯合重慶理工大學周志明教授，採用原位兩步活化策略製備了一種分級多孔碳正極材料，基於該材料的水系鋅離子雜化電池表現出優異的電化學儲能性能。
  • ...無幹擾揭示δ-MnO2 「層-到-層」儲鋅機理助力高性能水系鋅錳電池
    作為典型的電化學儲能器件，鋰離子電池和超級電容器等已經廣泛地應用於人們的日常生活中。而未來新興應用領域的需求對下一代電化學儲能器件在安全性、比容量、能量密度、功率密度及循環壽命等方面提出了更高的要求。因此，近年來已逐漸發展出了諸多新型的儲能器件。
  • 沒有爆炸與起火風險，下一代技術鋅離子電池受矚目
    我們在市面上常見的碳鋅電池是無法充電的，這是因為可充式鋅離子電池跟鋰離子電池一樣，會遇到「晶枝」問題，隨著充放電次數增加，因為沉積不均勻、會漸漸在電極表面會形成樹枝狀晶枝，降低電城性能與壽命，對此，韓國 科學技術院（KIST）開始研究便宜、無毒又安全的可充式鋅電池
  • 新華網:南開博士「水系鋅離子」電池科研成果登上龍頭雜誌《美國...
    新華網天津11月24日電(張建新 馬超)南開大學化學學院博士研究生張寧針對「水系鋅離子」電池設計出全新正極材料及電解液，首次將陽離子缺陷型鋅錳氧化物用於正極，同時首次使用高濃度大陰離子電解液三氟甲烷磺酸鋅，使得鋅離子電池的效能、安全性、穩定性等均有大幅提升和改進。　　相關科研成果近日發表在材料與化學類龍頭期刊《美國化學會志》，該成果現已申請專利。
  • 上海交大王久林Advanced Materials.高可逆鋅負極結合安全有機電解...
    然而，由於傳統的鹼性和中性水系ZnSO4電解液存在鋅枝晶和嚴重的界面反應，其在實際充電電池中的應用具有很大的挑戰性。相對較少探索和忽視的領域是尋找有機溶劑作為鋅離子電池的電解液。與水系電解液相比，有機溶劑中鋅的熱力學穩定性更高，鋅氧化還原的可逆性更高，從而提高了鋅沉積/溶解的庫侖效率，更重要的是簡化了鋅負極表面的電化學。
  • 最大特點是安全:下一代鋅電池來了
    尋找下一代電池，成為學術界和產業界共同關注的焦點。 日前，韓國科學技術研究院（KIST）儲能研究中心宣布開發出下一代二次電池，這種電池使用金屬鋅作為負極和水系電解液，沒有任何爆炸或起火危險。 鋅是一種儲量豐富、安全且可回收的金屬。
  • 最大特點是安全：下一代鋅電池來了
    尋找下一代電池，成為學術界和產業界共同關注的焦點。日前，韓國科學技術研究院（KIST）儲能研究中心宣布開發出下一代二次電池，這種電池使用金屬鋅作為負極和水系電解液，沒有任何爆炸或起火危險。鋅是一種儲量豐富、安全且可回收的金屬。
  • 科學網—打造「高能又長壽」的鋅碘單液流電池
  • 中南大學劉開宇教授團隊:3D列印g-C3N4調製界面實現高穩定鋅金屬負極
    研究背景鋅金屬由於其高的理論比容量，低的電位，高的穩定性，低廉的成本，被認為是在水系電池中最具潛力的負極材料之一。不幸的是非均勻沉積導致的鋅枝晶和腐蝕導致的副產物嚴重影響了儲能設備的循環穩定性和活性鋅的利用率，嚴重阻礙了鋅離子電池、鋅空氣電池的進一步實際應用。鋅金屬負極必須經過優化設計使鋅金屬電池實現長壽命和高安全。
  • Janus隔膜助力高安全長續航鋅電池
    基於此問題，我們根據前期研究基礎，在商用玻璃纖維隔膜上藉助化學氣相沉積技術，實現了超薄層的垂直石墨烯的直接生長，在不增加器件整體質量和體積的前提下構築了Janus隔膜，並將其應用於柔性水系鋅電池中，阻礙了鋅負極枝晶的形成，延長了電池壽命。相關的研究成果發表在Advanced Materials上。
  • 我國科學家在水系鋅離子電池電鍍動力學研究方面獲進展
    近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所（籌）光子信息與能源材料研究中心助理研究員陸子恆與香港理工大學助理教授張標協作，對有機配位小分子對水系鋅離子電池電化學電鍍過程的調控機制進行研究，實現了高效穩定的鋅負極電鍍過程。
  • 深圳先進院等在水系鋅離子電池電鍍動力學研究取得新進展
    近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所（籌）光子信息與能源材料研究中心陸子恆助理研究員與香港理工大學張標助理教授協作，對有機配位小分子對水系鋅離子電池的電化學電鍍過程的調控機制進行研究，實現了高效穩定的鋅負極電鍍過程。
  • 中山大學朱昌寶團隊在水系鋅離子電池電解液添加劑開發研究獲進展
    水系鋅離子電池作為綠色可持續發展的儲能設備，在比容量、天然豐度、環境友好等方面極具優勢，被視為當前最有前景的低成本、高安全的儲能系統，近年來受到了廣泛的關注。與鋰金屬負極類似，鋅枝晶的形成和生長可能會導致循環壽命短、庫倫效率低、電池內部短路等嚴重問題，嚴重限制了鋅金屬負極的實際應用。
  • 南開大學陶佔良團隊：開發新型鋅插層正極材料用於水系鋅離子電池
    水性鋅離子電池(ZIBs)因其獨特的鋅負極優勢，包括高理論比容量(820 mAh g−1)，較低的氧化還原電位(−0.76 V vs 標準氫電極)，以及在弱酸性電解液中優良的穩定性，因此正受到越來越多科研人員的關注。