近日,大連化學物理研究所儲能技術研究部(DNL17)李先鋒研究員團隊在鋅基電池的膜材料研究方面取得新進展。團隊通過膜材料的結構設計,實現了在高面容量、高電流密度條件下的鋅均勻沉積過程,并對膜結構調控鋅沉積過程的機理進行了詳細地研究和探討。
可再生能源的快速發展,推動了以鋅化學為基礎的高能量密度儲能器件的開發和研究。鋅二次電池具有成本低,安全性高,能量密度高,且與水性電解質具有良好的相容性等優勢,在電化學儲能領域具有很好的應用前景。然而,鋅在沉積過程中容易產生鋅枝晶,在高面容量和高電流密度的工作條件下更為嚴重,影響電池的循環壽命。
本工作中,團隊提出了一種具有表面有序波動條紋(Turing patterns)的新型聚合物膜(圖靈膜),可以實現在高面容量、高電流密度下的鋅均勻沉積過程。在該設計中,膜表面條紋的波峰和波谷可以通過控制微區載流子通量,從而有效地調節Zn(OH)42-的分布,并提供更多的鋅沉積空間。同時,膜形成過程中表面配位的銅離子與Zn(OH)42-相互作用,可進一步誘導鋅的均勻沉積。結果表明,在80mA/cm2的高電流密度下,采用圖靈膜組裝的堿性鋅鐵液流電池可以在160mAh/cm2的超高面容量條件下穩定工作。該工作為高穩定鋅基二次電池的開發提供了新的思路。
相關研究成果以“Dendrite-Free Zinc-Based Battery with High Areal Capacity via the Region-Induced Deposition Effect of Turing Membrane” 為題,于近日發表在《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc.)上。該工作的第一作者是我所DNL17的2018級博士研究生吳金娥。上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院電化學工程實驗室、中國科學院A類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”等項目的支持。