中科大談鵬教授CEJ：重新認識水系鋅基電池中的不均勻沈積現象
【文章資訊】
重新認識水系鋅基電池中的不均勻沈積現象
第一作者：余建文
通訊作者：談鵬*
單位：中國科學技術大學
【研究背景】
近些年，由於鋰離子電池安全性問題和鋰資源的匱乏，水系鋅基電池作為一種新型儲能器件而受到廣泛關註。水系電解液的使用，使該體系具有高安全性、低成本和低毒性的優勢，同時作為負極的鋅金屬除了資源豐富外，還具有低的還原電位(-0.76V vs. SHE)，高的理論容量（820 mAh g-1）和體積容量（5855 mAh cm-3）。然而，水系鋅基電池也面臨著很多問題，如析氫、枝晶和自腐蝕等。其中，枝晶作為不均勻沈積現象的一種會導致鋅負極可逆性的降低甚至電池短路現象的發生，極大的影響電池的迴圈穩定性。而在堿性水系鋅基電池中，另一種不均勻沈積現象即在電池底部沈積，在某些情況下危害性甚至比枝晶更高，但是這種現象往往被人們所忽視。本文提出了之前解釋該現象理論的局限性，並透過實驗和模擬重新揭示了該現象產生的原因，即重力場引起的自然對流使離子濃度分布不均從而導致不均勻沈積。
【文章簡介】
近日， 中國科學技術大學談鵬教授課題組 在知名期刊 Chemical Engineering Journal 上發表題為 「Reunderstanding the uneven deposition in aqueous zinc-based batteries」 的研究文章。該文章透過粒子追蹤實驗以及外加重力場模擬，指出了堿性鋅基電池中的不均勻沈積現象來源於重力場引起的自然對流導致的電池上下部離子濃度分布不均，同時證明了在以往未曾提及的弱酸性電解質中同樣適用。另外，該文章進行展望，提出了在其它水系電池中該理論存在的可能性以及在以後的研究中不均勻沈積應作為鋅基電池失效的一個重要原因進行探究。
圖1. 由於不均勻沈積導致的鋅對稱電池短路，粒子示蹤實驗證明了存在自然對流以及加入重力場後產生底部沈積的鋅對稱電池模擬。
【本文要點】
要點一：堿性和弱酸性電解質中不均勻沈積位置不同
圖2. 堿性鋅對稱電池中的底部沈積和迴圈短路（上中），弱酸性鋅對稱電池中的上部沈積（下）。
在堿性電解質中產生的不均勻沈積位於電池底部，在迴圈過程中會逐漸增厚最後導通正負極導致短路。在高濃度弱酸性電解質中不均勻沈積現象不明顯，當濃度降低時會發現有不均勻沈積出現電極上部。
要點二：電池執行過程中上下部濃度差異
圖3. 堿性（b）和弱酸性（c）鋅對稱電池執行後上下部電解液鋅元素濃度。
無論是堿性還是弱酸性條件下，在電池執行過後電解液中鋅元素濃度都呈現上低下高的趨勢。
要點三：鋅對稱電池中的粒子示蹤實驗
圖4. 堿性（上）和弱酸性（下）鋅對稱電池中的粒子示蹤實驗。
粒子示蹤實驗表明在堿性和弱酸性條件下，執行過程中都會產生自然對流，同時在兩種條件下流動方向具有相似性。在陰極附近（電池右邊），流動方向向上，而在陽極附近（電池左邊），流動方向向下。出現這種情況是由於在陰極消耗鋅元素，電極附近電解液密度降低，由於浮力作用向上運動。在陽極則產生鋅元素，電解液密度升高在重力作用下向下運動。這也是電解液濃度出現上低下高狀態的原因。
要點四：堿性和弱酸性不均勻沈積位置差異的原因
圖5. 堿性（上）和弱酸性（下）條件下濃度對沈積形貌的影響。
分別測試了堿性和弱酸性條件下濃度對沈積形貌的影響。在堿性條件下，低濃度會產生更加致密、更薄的沈積，而高濃度下則產生更厚的沈積。在弱酸性條件下則相反。這也說明了為何堿性條件下在下部（濃度高）出現不均勻沈積，弱酸性條件下上部（濃度低）出現不均勻沈積。
要點五：堿性條件下底部沈積和迴圈短路的模擬
圖6. 迴圈過程中電極上下部厚度的差異以及電極厚度變化導致的短路模擬。
在模擬中加入重力場，離子濃度差異引起電極上下部厚度差異，最終下部厚度逐漸增大引起短路。
【文章連結】
Reunderstanding the uneven deposition in aqueous zinc-based batteries
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148556
【通訊作者簡介】
談鵬 教授簡介：中國科學技術大學熱科學和能源工程系執行主任、博士生導師，工作主要圍繞電化學儲能系統中多場耦合能質傳輸與轉化問題，包括多場耦合傳輸機理探究、理論模型構建和調控機制研究。入選了中國科學院、安徽省和國家人才計劃青年計畫。近年來，主持國家重點研發計劃「儲能與智慧電網技術」重點專項計畫、國家自然科學基金青年/面上計畫、安徽省自然科學基金和企業技術開發計畫多項。已在PNAS、AEM等國際知名學術期刊上發表論文150余篇，總參照5900余次，H指數42，連續四年入選史丹佛大學「前2%科學影響力榜單」及「終身科學影響力榜單」；授權中國發明專利10余項。擔任國際學術期刊e-Prime副主編、Energy Reviews編委、Advanced Powder Materials特聘編委等。積極與國軒高科、國家電網等知名企業開展合作，推動新型儲能電池技術的實用化。
