中科大谈鹏教授CEJ：重新认识水系锌基电池中的不均匀沉积现象
【文章信息】
重新认识水系锌基电池中的不均匀沉积现象
第一作者：余建文
通讯作者：谈鹏*
单位：中国科学技术大学
【研究背景】
近些年，由于锂离子电池安全性问题和锂资源的匮乏，水系锌基电池作为一种新型储能器件而受到广泛关注。水系电解液的使用，使该体系具有高安全性、低成本和低毒性的优势，同时作为负极的锌金属除了资源丰富外，还具有低的还原电位(-0.76V vs. SHE)，高的理论容量（820 mAh g-1）和体积容量（5855 mAh cm-3）。然而，水系锌基电池也面临着很多问题，如析氢、枝晶和自腐蚀等。其中，枝晶作为不均匀沉积现象的一种会导致锌负极可逆性的降低甚至电池短路现象的发生，极大的影响电池的循环稳定性。而在碱性水系锌基电池中，另一种不均匀沉积现象即在电池底部沉积，在某些情况下危害性甚至比枝晶更高，但是这种现象往往被人们所忽视。本文提出了之前解释该现象理论的局限性，并通过实验和模拟重新揭示了该现象产生的原因，即重力场引起的自然对流使离子浓度分布不均从而导致不均匀沉积。
【文章简介】
近日， 中国科学技术大学谈鹏教授课题组 在知名期刊 Chemical Engineering Journal 上发表题为 「Reunderstanding the uneven deposition in aqueous zinc-based batteries」 的研究文章。该文章通过粒子追踪实验以及外加重力场模拟，指出了碱性锌基电池中的不均匀沉积现象来源于重力场引起的自然对流导致的电池上下部离子浓度分布不均，同时证明了在以往未曾提及的弱酸性电解质中同样适用。另外，该文章进行展望，提出了在其它水系电池中该理论存在的可能性以及在以后的研究中不均匀沉积应作为锌基电池失效的一个重要原因进行探究。
图1. 由于不均匀沉积导致的锌对称电池短路，粒子示踪实验证明了存在自然对流以及加入重力场后产生底部沉积的锌对称电池模拟。
【本文要点】
要点一：碱性和弱酸性电解质中不均匀沉积位置不同
图2. 碱性锌对称电池中的底部沉积和循环短路（上中），弱酸性锌对称电池中的上部沉积（下）。
在碱性电解质中产生的不均匀沉积位于电池底部，在循环过程中会逐渐增厚最后导通正负极导致短路。在高浓度弱酸性电解质中不均匀沉积现象不明显，当浓度降低时会发现有不均匀沉积出现电极上部。
要点二：电池运行过程中上下部浓度差异
图3. 碱性（b）和弱酸性（c）锌对称电池运行后上下部电解液锌元素浓度。
无论是碱性还是弱酸性条件下，在电池运行过后电解液中锌元素浓度都呈现上低下高的趋势。
要点三：锌对称电池中的粒子示踪实验
图4. 碱性（上）和弱酸性（下）锌对称电池中的粒子示踪实验。
粒子示踪实验表明在碱性和弱酸性条件下，运行过程中都会产生自然对流，同时在两种条件下流动方向具有相似性。在阴极附近（电池右边），流动方向向上，而在阳极附近（电池左边），流动方向向下。出现这种情况是由于在阴极消耗锌元素，电极附近电解液密度降低，由于浮力作用向上运动。在阳极则产生锌元素，电解液密度升高在重力作用下向下运动。这也是电解液浓度出现上低下高状态的原因。
要点四：碱性和弱酸性不均匀沉积位置差异的原因
图5. 碱性（上）和弱酸性（下）条件下浓度对沉积形貌的影响。
分别测试了碱性和弱酸性条件下浓度对沉积形貌的影响。在碱性条件下，低浓度会产生更加致密、更薄的沉积，而高浓度下则产生更厚的沉积。在弱酸性条件下则相反。这也说明了为何碱性条件下在下部（浓度高）出现不均匀沉积，弱酸性条件下上部（浓度低）出现不均匀沉积。
要点五：碱性条件下底部沉积和循环短路的模拟
图6. 循环过程中电极上下部厚度的差异以及电极厚度变化导致的短路模拟。
在模拟中加入重力场，离子浓度差异引起电极上下部厚度差异，最终下部厚度逐渐增大引起短路。
【文章链接】
Reunderstanding the uneven deposition in aqueous zinc-based batteries
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148556
【通讯作者简介】
谈鹏 教授简介：中国科学技术大学热科学和能源工程系执行主任、博士生导师，工作主要围绕电化学储能系统中多场耦合能质传输与转化问题，包括多场耦合传输机理探究、理论模型构建和调控机制研究。入选了中国科学院、安徽省和国家人才计划青年项目。近年来，主持国家重点研发计划「储能与智能电网技术」重点专项项目、国家自然科学基金青年/面上项目、安徽省自然科学基金和企业技术开发项目多项。已在PNAS、AEM等国际知名学术期刊上发表论文150余篇，总引用5900余次，H指数42，连续四年入选斯坦福大学「前2%科学影响力榜单」及「终身科学影响力榜单」；授权中国发明专利10余项。担任国际学术期刊e-Prime副主编、Energy Reviews编委、Advanced Powder Materials特聘编委等。积极与国轩高科、国家电网等知名企业开展合作，推动新型储能电池技术的实用化。
