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纳米多孔绝缘层抑制锌枝晶

高性能二次电池是实现能源存储与分配的关键性器件。目前,主流二次电池有锂离子电池(能量密度高)和铅酸电池(高安全性、高性价比)等。然而,锂离子电池存在成本高,锂、钴资源供应不足和使用安全性问题;而铅酸电池的能量密度和使用寿命较低。因此,开发新型高性价比、高安全性二次电池体系意义重大。

锌电池采用水系电解液,具有绿色环保、性价比高、使用安全等多种优点,是一种极具发展潜力的电池产品。然而,锌电池使用的金属负极由于存在尖端效应,在多次充放电后会出现自发的锌枝晶生长。不断积累的锌枝晶不但会造成电池容量衰减,还会引起电池短路,是制约可充电锌锰电池开发的行业核心难题。

 

【成果简介】

最近,烟台大学康利涛副教授、太原理工大学崔芒伟同学(共同第一作者)和梁伟教授(共同通讯作者)团队巧妙利用了纳米多孔绝缘层对电解液迁移的均化作用、对锌沉积反应的限域作用,显著增加了负极表面锌沉积-溶解反应的均匀性和稳定性,有效提升了锌锰电池的充放电循环寿命。作者通过多种纳米多孔层体系验证了该工艺方法的广泛适用性,并通过组装锌全电池测试了该方法在电池中的实际应用价值。该文章以长文形式(Full paper)发表在国际能源材料类顶级期刊Advanced Energy Materials上(影响因子:21.875,DOI:10.1002/aenm.201801090)。论文的合作者还包括烟台大学姜付义教授,上海大学高彦峰、罗宏杰教授,上海硅酸盐研究所刘建军研究员和香港城市大学支春义教授。

 

【全文解析】

纳米多孔绝缘层抑制锌枝晶图1. 纳米多孔CaCO3层涂覆前后Zn/Zn对称电池的循环稳定性曲线。由图可知,纳米多孔涂层不仅显著得升了锌沉积反应的稳定性,而且降低了锌沉积反应的过电位。

纳米多孔绝缘层抑制锌枝晶图2. 未涂覆(a-c)和涂覆有(d-f)纳米多孔CaCO3涂层的锌电极充放电循环前后的SEM图。充放电循环以后,纳米多孔CaCO3涂层显著提升了锌沉积的均匀性(b-c, e-f),且CaCO3涂层结构并未破坏(e-f),可以保护隔膜不被枝晶刺穿。

纳米多孔绝缘层抑制锌枝晶

图3. (a-b)滤纸隔膜及循环后的锌电极(c-d)的SEM图。(e)渗水砖对水流的均化效果示意图。由图(a-d)可知,锌负极表面沉积体的大小、形状、密度分布与隔膜中的孔道分布十分相近,表明隔膜孔道可以作为电解液快速迁移通道,提高锌沉积反应活性。

纳米多孔绝缘层抑制锌枝晶图4.纳米多孔CaCO3涂层促进锌均匀沉积的机理示意图。

纳米多孔绝缘层抑制锌枝晶

图5.采用其它纳米多孔涂层提升锌沉积反应稳定性。

纳米多孔绝缘层抑制锌枝晶

图6. (a)CNT/MnO2正极材料的TEM图;(b)采用不同锌负极的锌锰全电池循环伏安曲线,(c)恒电流充放电曲线,和(d)循环稳定性曲线。

 

【小结】

研究人员提出了一种创新性的多孔纳米涂层抑制锌枝晶策略。该方法具有多重引导锌均匀沉积机制,不仅技术效果显著,而且所用材料廉价,所用工艺与现在工业设备兼容性好,是一个使用常见材料/常见工艺解决重大技术问题的成功典范。该研究成果对于长寿命实用化锌锰二次电池开发具有重要的借鉴意义。

 

Litao Kang, Mangwei Cui, Fuyi Jiang, Yanfeng Gao, Hongjie Luo, Jianjun Liu, Wei Liang, Chunyi Zhi, Nanoporous CaCO3 Coatings Enabled Uniform Zn Striping/Plating for Long-Life Zinc Rechargeable Aqueous Batteries, Advanced Energy Materials, DOI:10.1002/aenm.201801090.

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