中国科大揭示水系锌基电池中锌电溶解机理
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2025-02-21 20:00:43
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中国教育报-中国教育新闻网讯(记者 方梦宇)近日,中国科学技术大学谈鹏教授团队在水系锌基电池领域取得重要进展,全面揭示了锌电极的电溶解机理,为提升锌电极的可逆性提供了新思路,相关成果发表于《科学通报》。

水系锌基电池由于固有的安全性、环境友好、低成本和高能量密度,是理想的电化学储能系统。然而,锌电极不可逆的电化学溶解和沉积导致了不可控的枝晶生长,严重阻碍了该技术的实际应用。不同于锂离子电池,锌基电池的起始运行工步通常是放电过程,即锌电极首先发生电溶解反应,而非电沉积。然而,现有研究大多集中在锌的电沉积行为上,电溶解特性却被忽视。锌的电溶解会改变其表面状态,进而对后续过程造成影响。因此,对电溶解行为的全面理解有利于稳定锌电极的构建。

该研究基于精抛的多晶锌箔开展了不同运行协议下的电溶解实验,发现随着电流密度的升高,电溶解呈现“点—线面”的行为转变,且在较高电流密度下表现出强烈的择优晶面溶解属性。结合实验表征、测试和理论计算,揭示了锌不同晶面之间的电溶解行为差异,发现(002)晶面最稳定,而(110)晶面最易发生电溶解。

基于对电溶解行为和机理的理解,进一步探究了电溶解对锌电极空间和容量不可逆性的影响。形貌表征发现,沉积过程主要发生在电溶解形成的缺陷区域,从而表现出空间不可逆性;通过构建传质—电化学耦合模型,揭示了电溶解形成的缺陷附近具有较高的离子浓度和局部电流密度,进而决定了沉积过程中的成核位点和生长速率。结合枝晶的外部浓度分布和内部结构异质性,阐明了“死锌”的形成机理。

基于上述发现,研究团队通过外延生长构建了择优取向的锌电极,显著抑制了溶解不均匀性,在对称电池和全电池中显著提升了循环寿命。该成果为改善锌电极的可逆性提供了新思路,并可推广到其他金属电极的研究和应用中。

作者:方梦宇

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