水系鋅離子電池中鋅陽極面臨的問題與解決策略|Carbon Energy

2021-01-21 OALandscape

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。近年來，水系鋅離子電池引起了研究者的廣泛關注，其中，鋅金屬以其低的電極電勢，較高的理論容量和豐富的自然資源也成為了最理想的負極材料，但是，鋅陽極面臨的枝晶，腐蝕/析氫問題也嚴重阻礙了水系鋅離子電池的發展。在這篇綜述中，中南大學王海燕和孫旦教授深入分析了枝晶，腐蝕/析氫產生原因以及對電池性能的影響，並且針對現有的鋅陽極改性方法以一個全新的角度進行總結分析，最後，陳述了鋅陽極實現商業化的要求以及對鋅陽極的進一步發展進行了展望。


本文以水系電解液中鋅金屬陽極面臨的問題為主線，首先，深入分析了鋅枝晶的產生原因與影響（主要包括電場和離子的不均勻分布，鋅在電極界面具有高的成核勢壘和不規則的生長取向），並通過成核工程、生長導向和晶須消除三個角度出發，揭示如何誘導鋅均勻沉積，從而抑制甚至消除枝晶。其次，綜合分析了腐蝕/析氫的產生原因與影響（水和陽極的化學活性與電化學活性），並分別從熱力學（降低水和陽極的活性）與動力學（構建電極界面的物理阻隔層：吸附阻隔層，原位阻隔層和人工塗層）角度來解析如何抑制鋅陽極腐蝕與析氫。最後，從鋅陽極實用化角度出發，論文對鋅陽極的改性方法提出了更高的要求：通過單一改性多重功效策略或者考慮方法之間的協同作用來同時解決枝晶和腐蝕/析氫等關鍵問題。


1. 腐蝕反應在電池擱置過程中可能比在連續充放電測試中更加嚴重，因此，評價鋅離子電池綜合性能時，考慮擱置時間對電池性能影響是鋅離子電池走向實際運用的必然要求。2. 水溶劑對溫度的敏感性使水系鋅離子電池對工作環境有較高的要求，比如高濃度電解液在低溫時電解質的析出問題，水在高溫時的高腐蝕與析氫活性等問題都會嚴重製約水系鋅離子電池發展。


*原文信息：Issues and solutions toward zinc anode in aqueous zinc-ion batteries: A mini review. Carbon Energy, 2020, https://doi.org/10.1002/cey2.67 [Physical Sciences]


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