研究人员克服关键挑战，开发无火灾风险的水系锌电池

Josiah02 · 发表于 2024-9-4 17:53:40

研究人员开发出了一种关键的电极制造技术，可以控制水性锌电池中的枝晶形成。该团队包括韩国能源研究所 (KIER) 光州清洁能源研究中心的 Jung-Je Woo 博士，以及蔚山国家科学技术研究所 (UNIST) 的 Jaephil Cho 教授的研究团队。
研究团队研发的此项技术作为封面文章发表在能源与材料领域顶级期刊《先进能源材料》 8月刊上。
水系锌电池是使用水作为电解质的二次电池，与使用挥发性液体电解质的锂离子电池相比，它们没有火灾风险，而且对环境友好。此外，由于水系锌电池每个离子使用两个电子，因此理论上它们可以提供的容量是锂离子电池的两倍多，而锂离子电池每个离子只使用一个电子。
然而，枝晶现象存在问题，即在充电过程中，锌会以细长的形式沉积在阳极表面，从而缩短电池寿命。形成的枝晶会刺穿阳极和阴极之间的隔膜，造成电气短路并严重影响电池性能。特别是，枝晶在水性锌电池中比在锂离子电池中形成得更活跃，这成为该技术商业化的重大障碍。
研究团队成功利用氧化铜促进锌均匀沉积，并控制枝晶形成。用此方法制成的电极应用于电池时，其寿命比传统电池长十倍以上。
过去抑制枝晶形成的主要方法是添加铜等促进剂，以加速锌的初始生长并引导均匀沉积。然而，这种方法的一个问题是，枝晶会随着电池的反复充电和放电循环而再次形成。
为此，研究团队设计了一种使用氧化铜逐步控制枝晶形成的方法。与普通铜一样，氧化铜促进锌的初始生长并引导其沉积。此外，氧化铜具有优化的导电性，可均匀分布地沉积锌，与普通铜相比，可实现更高效的沉积。
氧化铜均匀分布锌后，会自行转变成支架。支架就像一道栅栏，抑制无序的锌沉积和生长。这样，即使在反复充电和放电循环中，也能持续防止枝晶形成。
采用该研究团队技术的电池的寿命比传统的水性锌电池长十倍以上，增加了商业化的潜力。
通过抑制枝晶的形成，电池即使经过 3,000 次充电放电循环后仍能保持 80% 的容量。
研究团队成功控制锌沉积，实现世界领先的60mAh/cm²容量，并通过3000多次电池性能测试证明了其耐久性，并确认该技术可应用于64cm²的大面积电极。
首席研究员 Jung-Je Woo 博士表示：“这项研究的意义在于，它利用低成本工艺和氧化铜等材料，为水系锌电池等金属电池中枝晶形成的难题提供了解决方案。”
他补充道：“我们的目标是通过标准化和系统化开发的电极的后续研究，为水系电池的商业化做出贡献。”

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