鋅電池體系的歷史演化及青島儲能院的研究進(jìn)展

 

       鋅電池是一類以鋅金屬或鋅氧化物為負(fù)極活性材料的儲能體系，在電池發(fā)展歷程中有不可磨滅的地位。鋅具有資源豐富、高安全、成本低且多電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的優(yōu)點，這使其體積比容量遠(yuǎn)高于鋰。雖然近20年以來鋅電池發(fā)展遇到了停滯，但隨著近年來綠色、環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)及無鉛化的發(fā)展趨勢，使鋅電池又迎來了新一輪世界范圍的關(guān)注，在低速電動車、規(guī)模儲能及特種領(lǐng)域有極大應(yīng)用前景。然而，時至今日循環(huán)壽命短仍是其應(yīng)用的最大障礙，這也是當(dāng)前鋅電池的應(yīng)用仍以一次電池為主的原因。因此，聚焦儲鋅化學(xué)關(guān)鍵科學(xué)問題，切實提升再充電效率是二次鋅電池再次登上歷史舞臺的關(guān)鍵。

 

       依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（簡稱“青島儲能院”）從鋅電池核心電解質(zhì)開發(fā)及界面設(shè)計出發(fā)，在長壽命、高穩(wěn)定鋅二次電池方面取得了重要的研究成果。2016年，青島儲能院利用超高濃鹽包水電解質(zhì)首次實現(xiàn)了2.35 V的高電壓鋅二次電池新體系（Electrochem. Commun. 2016, 6, 69）。2017年，青島儲能院創(chuàng)新性地以低溫修復(fù)策略進(jìn)一步解決了鋅負(fù)極-電解液界面浸潤性的問題，為鋅電池在航空航天、深海低溫等惡劣條件下的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 7871；授權(quán)專利：201611224300.3）。

 

       2018年至今，青島儲能院開發(fā)了一系列低共熔體鋅基電解質(zhì)體系，其溶劑化結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)、離子傳輸行為高度可調(diào)（Nat. Commun. 2019, 10, 5374；Nano Energy 2019, 57, 625；Electrochim. Acta 2018, 280, 108；授權(quán)專利：201710979639.2）。重要的是，首次在鋅負(fù)極表面成功構(gòu)筑了原位固態(tài)電解質(zhì)層（SEI），深化了多價金屬界面離子界面?zhèn)鬏攲拥膫鹘y(tǒng)認(rèn)知。受到電鍍行業(yè)“光亮劑”的啟發(fā)，青島儲能院進(jìn)而提出了酰胺聚合物的修飾策略，在傳統(tǒng)水系電解質(zhì)中從副反應(yīng)抑制及均勻沉積兩方面對鋅負(fù)極進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，循環(huán)壽命超過 8000 h（Energy Environ. Sci. 2019, 12, 1938；專利：201910240468.0）。基于前期研究進(jìn)展，團(tuán)隊深刻分析了存在的關(guān)鍵問題，尤其在負(fù)極可逆性差及失效機(jī)理方面做出了詮釋，并提出了液態(tài)/聚合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計的有益策略，為鋅二次電池發(fā)展方向和應(yīng)用拓展提供了建設(shè)性方案（NPG Asia Mater. 2019, DOI: 10.1038/s41427-019-0167-1）。

 

       上述研究獲得國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、兩所融合基金、中科院青促會等的支持。