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鋅均勻沉積誘導策略可以提升鋅基電池性能

儀表研發 2019年12月26日 09:48:16 來源:儀表網人氣:29916
  【儀表網 儀表研發】近日,中國科學院大連化學物理研究所儲能技術研究部(DNL17)研究員李先鋒、張華民團隊,提出了一種利用磁控濺射技術在3D多孔碳氈電極上濺射金屬錫層的策略,在水系鋅基電池中實現了對鋅沉積形貌的誘導,有效降低了鋅的電化學沉積過電位,緩解了鋅枝晶的生長,使鋅基電池的庫倫效率與循環壽命顯著提升。
 
  庫倫效率(coulombic efficiency),也叫放電效率,是指電池放電容量與同循環過程中充電容量之比,即放電容量與充電容量之百分比。對于正極材料來說,是嵌鋰容量/脫鋰容量,即放電容量/充電容量;對于負極材料來說,是脫鋰容量/嵌鋰容量,即充電容量/放電容量。
 
  鋅是一種化學元素,它的化學符號是Zn,它的原子序數是30,在化學元素周期表中位于第4周期、第ⅡB族 。鋅(Zinc)是一種淺灰色的過渡金屬,也是第四"常見"的金屬。在現代工業中,鋅是電池制造上有不可替代的,為一相當重要的金屬。此外,鋅也是人體必需的微量元素之一,起著極其重要的作用。
 
  鋅負極具有本征電極電勢較低、動力學快、循環性好、儲量豐富等特點,在鋅-溴、鋅-碘、鋅-鈰、鋅-鐵液流電池,鋅-鎳電池、鋅-空氣電池以及鋅離子電池等領域受到研究者廣泛關注。但是鋅的不均勻沉積導致枝晶生長,枝晶會刺破隔膜,引起電解液互穿,使得電池庫倫效率下降,同時造成電池短路,導致電池性能的快速衰減;此外,鋅的異形生長導致鋅脫落,不僅使電池的庫倫效率降低,還會造成電解液循環流道堵塞影響流場分布的均勻性,從而縮短電池的循環壽命。
 
  使用電解液做陰極有不少好處。首先在于液體與介質的接觸面積較大,這樣對提升電容量有幫助。其次是使用電解液制造的電解電容,能耐高溫,這樣就可以通過波峰焊(波峰焊是SMT貼片安裝的一道重要工序),同時耐壓性也比較強。
 
  此外,使用電解液做陰極的電解電容,當介質被擊穿后,只要擊穿電流不持續,那么電容能夠自愈。但電解液也有其不足之處。首先是在高溫環境下容易揮發、滲漏,對壽命和穩定性影響很大,在高溫高壓下電解液還有可能瞬間汽化,體積增大引起爆炸(就是我們常說的爆漿);其次是電解液所采用的離子導電法,其導電率很低,只有0.01S(電導率,歐姆的倒數)/CM,這造成電容的ESR值(等效串聯電阻)特別高。
 
  為此,該研究團隊選用低成本的金屬錫作為電化學沉積鋅的形貌誘導材料,利用磁控濺射技術使錫在沒有粘結劑的條件下牢固沉積在具有3D結構的碳氈負極上,有效降低了鋅的沉積過電位,緩解了鋅枝晶的生長。與基材相比,鍍錫電極無論在鋅-鋅對稱液流電池還是鋅-溴單液流電池中,其循環穩定性和庫倫效率都得以顯著提升。此外,該研究團隊利用超深度顯微鏡對鋅沉積過程進行了原位表征,結合理論計算,對鋅沉積誘導的原因進行簡要分析。這項工作為鋅負極以及其他金屬負極的研究提供了新思路。
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