锌均匀沉积诱导策略可以提升锌基电池性能
- 2019/12/26 9:48:16 30872
- 来源:仪表网
【仪表网 仪表研发】近日,中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部(DNL17)研究员李先锋、张华民团队,提出了一种利用磁控溅射技术在3D多孔碳毡电极上溅射金属锡层的策略,在水系锌基电池中实现了对锌沉积形貌的诱导,有效降低了锌的电化学沉积过电位,缓解了锌枝晶的生长,使锌基电池的库伦效率与循环寿命显著提升。
库伦效率(coulombic efficiency),也叫放电效率,是指电池放电容量与同循环过程中充电容量之比,即放电容量与充电容量之百分比。对于正极材料来说,是嵌锂容量/脱锂容量,即放电容量/充电容量;对于负极材料来说,是脱锂容量/嵌锂容量,即充电容量/放电容量。
锌是一种化学元素,它的化学符号是Zn,它的原子序数是30,在化学元素周期表中位于第4周期、第ⅡB族 。锌(Zinc)是一种浅灰色的过渡金属,也是第四"常见"的金属。在现代工业中,锌是电池制造上有不可替代的,为一相当重要的金属。此外,锌也是人体必需的微量元素之一,起着极其重要的作用。
锌负具有本征电极电势较低、动力学快、循环性好、储量丰富等特点,在锌-溴、锌-碘、锌-铈、锌-铁液流电池,锌-镍电池、锌-空气电池以及锌离子电池等领域受到研究者广泛关注。但是锌的不均匀沉积导致枝晶生长,枝晶会刺破隔膜,引起电解液互穿,使得电池库伦效率下降,同时造成电池短路,导致电池性能的快速衰减;此外,锌的异形生长导致锌脱落,不仅使电池的库伦效率降低,还会造成电解液循环流道堵塞影响流场分布的均匀性,从而缩短电池的循环寿命。
使用电解液做阴极有不少好处。首先在于液体与介质的接触面积较大,这样对提升电容量有帮助。其次是使用电解液制造的电解电容,能耐高温,这样就可以通过波峰焊(波峰焊是SMT贴片安装的一道重要工序),同时耐压性也比较强。
此外,使用电解液做阴极的电解电容,当介质被击穿后,只要击穿电流不持续,那么电容能够自愈。但电解液也有其不足之处。首先是在高温环境下容易挥发、渗漏,对寿命和稳定性影响很大,在高温高压下电解液还有可能瞬间汽化,体积增大引起爆炸(就是我们常说的爆浆);其次是电解液所采用的离子导电法,其导电率很低,只有0.01S(电导率,欧姆的倒数)/CM,这造成电容的ESR值(等效串联电阻)特别高。
为此,该研究团队选用低成本的金属锡作为电化学沉积锌的形貌诱导材料,利用磁控溅射技术使锡在没有粘结剂的条件下牢固沉积在具有3D结构的碳毡负极上,有效降低了锌的沉积过电位,缓解了锌枝晶的生长。与基材相比,镀锡电极无论在锌-锌对称液流电池还是锌-溴单液流电池中,其循环稳定性和库伦效率都得以显著提升。此外,该研究团队利用超深度显微镜对锌沉积过程进行了原位表征,结合理论计算,对锌沉积诱导的原因进行简要分析。这项工作为锌负极以及其他金属负极的研究提供了新思路。
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