1月10日消息，電池網(wǎng)從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，近日，該?；瘜W(xué)與材料科學(xué)學(xué)院陳維教授課題組，設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定的金屬/金屬-鋅合金異質(zhì)結(jié)界面層，實(shí)現(xiàn)了大面容量（200mAh/cm²）下無鋅枝晶的穩(wěn)定沉積和溶解反應(yīng)以及高達(dá)274Wh/kg的鋅溴電池能量密度。另外，大容量鋅溴電池展示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，電池模組與光伏面板集成展示了其對(duì)可再生能源的存儲(chǔ)能力。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于國際期刊《自然·通訊》上。

水系鋅電池具有低成本、長壽命、高安全的特點(diǎn)，是下一代大規(guī)模儲(chǔ)能電池技術(shù)最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。然而鋅電池面臨一系列的問題，嚴(yán)重影響了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程：1）鋅負(fù)極存在不可控的副反應(yīng)如枝晶生長、析氫等，限制了電池的循環(huán)壽命；2）鋅電池中過高的正負(fù)極比和較低的面容量降低了電池的能量密度；3）缺乏對(duì)Ah級(jí)大容量電池的性能研究及其在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用探索。

圖1. Sb/Sb₂Zn₃異質(zhì)結(jié)界面層穩(wěn)定鋅沉積的機(jī)理。a鋅沉積在鋅箔和Sb/Sb₂Zn₃異質(zhì)結(jié)界面層上的示意圖；b鋅在鋅箔和Sb/Sb₂Zn₃異質(zhì)結(jié)界面層上的吸附能；c, d鋅在鋅箔和Sb/Sb₂Zn₃異質(zhì)結(jié)界面層上的電荷密度分布；e, f鋅箔和Sb/Sb₂Zn₃異質(zhì)結(jié)界面層在鋅沉積過程中的電流密度分布。

圖2.大容量鋅溴電池的研究及其在儲(chǔ)能中的實(shí)際應(yīng)用。a大容量鋅溴電池結(jié)構(gòu)示意圖；b大容量鋅溴電池的實(shí)物圖；c容量為500mAh電池的循環(huán)曲線；d單體容量為1.5Ah的鋅溴電池在不同連接形式下的放電曲線；e, f 9Wh（6V,1.5Ah）的鋅溴電池模組存儲(chǔ)可再生能源的應(yīng)用展示。

該論文設(shè)計(jì)了一種二維銻/銻鋅合金（Sb/Sb₂Zn₃）異質(zhì)結(jié)界面層用于穩(wěn)定鋅在大面容量下的沉積/溶解。Sb/Sb₂Zn₃異質(zhì)結(jié)界面在鋅沉積過程中表現(xiàn)出對(duì)鋅原子較強(qiáng)的吸附性及均勻的電場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)了200mAh/cm²超高面容量下無枝晶的鋅沉積/溶解（圖1）。此外，使用Sb/Sb₂Zn₃異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面修飾的無鋅負(fù)極與溴正極結(jié)合裝配成了無負(fù)極鋅溴電池，顯示出274Wh/kg的理論能量密度以及62Wh/kg的實(shí)際能量密度。容量為500毫安時(shí)的大容量鋅溴電池表現(xiàn)出超過400次的穩(wěn)定循環(huán)。進(jìn)一步放大到1.5Ah的電池在不同的串并聯(lián)形式下均表現(xiàn)出優(yōu)異的放電電壓和效率。此外，能量為9Wh（6V,1.5Ah）的鋅溴電池模組與光伏板集成展示了其實(shí)用的可再生能源儲(chǔ)存能力（圖2）。本論文通過設(shè)計(jì)金屬/金屬鋅合金異質(zhì)結(jié)界面獲得了具有優(yōu)異性能的無負(fù)極鋅溴電池，這將為鋅電池在大規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用開辟新的道路。