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 30865
- 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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