圖靈膜的表面條紋、配位銅離子攜手實現(xiàn)均勻鋅沉積過程

近日，中國科學院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員李先鋒團隊在鋅基電池的膜材料研究中取得進展。研究人員通過膜材料的結構設計，實現(xiàn)了在高面容量、高電流密度條件下的鋅均勻沉積過程，并對膜結構調(diào)控鋅沉積過程的機理進行了研究和探討。

可再生能源的快速發(fā)展推動了以鋅化學為基礎的高能量密度儲能器件的開發(fā)和研究。鋅二次電池具有成本低、安全性高、能量密度高、與水性電解質(zhì)具有良好的相容性等優(yōu)勢，在電化學儲能領域具有應用前景。然而，鋅在沉積過程中容易產(chǎn)生鋅枝晶，在高面容量和高電流密度的工作條件下更嚴重，影響電池的循環(huán)壽命。

該研究提出了一種具有表面有序波動條紋（Turing patterns）的新型聚合物膜（圖靈膜），能夠?qū)崿F(xiàn)在高面容量、高電流密度下的鋅均勻沉積過程。在該設計中，膜表面條紋的波峰和波谷能夠通過控制微區(qū)載流子通量，從而有效調(diào)節(jié)Zn(OH)₄^2-的分布，并提供更多的鋅沉積空間。同時，膜形成過程中表面配位的銅離子與Zn(OH)₄^2-相互作用，可進一步誘導鋅的均勻沉積。結果表明，在80 mA/cm²的高電流密度下，采用圖靈膜組裝的堿性鋅鐵液流電池可以在160 mAh/cm²的超高面容量條件下穩(wěn)定工作。該研究為高穩(wěn)定鋅基二次電池的開發(fā)提供了新思路。

相關研究成果以Dendrite-Free Zinc-Based Battery with High Areal Capacity via the Region-Induced Deposition Effect of Turing Membrane為題，于近日發(fā)表在《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc.）上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院電化學工程實驗室、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”等的支持。