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新型電解液讓鋅電池直面枝晶和腐蝕兩大挑戰(zhàn)

2021-12-22 16:25:39 作者：腐蝕與防護(hù) 來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

可充型鋅電池是一種新型電化學(xué)儲能器件，比鋰電池更加安全可靠，成本也更加低廉。但以水作為鋅電池電解液溶劑的局限性，嚴(yán)重制約著鋅電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

記者近日從天津大學(xué)獲悉，該校化工學(xué)院先進(jìn)碳與納米能源實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合清華大學(xué)深圳國際研究生院先進(jìn)能源材料團(tuán)隊(duì)和中科院金屬所先進(jìn)炭材料研究部，成功研發(fā)出一種與金屬鋅兼容的低成本新型不可燃含水有機(jī)電解液。該電解液有效解決了金屬鋅負(fù)極在水系電解液中的枝晶、腐蝕等難題。相關(guān)成果在線發(fā)表于國際期刊《自然·可持續(xù)性》上。

由水合四氟硼酸鋅鹽和乙二醇溶劑組成的新型電解液中，乙二醇本身的高沸點(diǎn)以及電解液中組分間的強(qiáng)相互作用，使得該電解液不易揮發(fā)和結(jié)冰，可以同時(shí)耐受酷暑和嚴(yán)寒，大大拓寬了鋅電池的應(yīng)用范圍。

水系電解液讓鋅電池應(yīng)對

枝晶和腐蝕挑戰(zhàn)

如何實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)已成為全球性焦點(diǎn)和議題，加大可再生能源的綠色開發(fā)和高效使用已成為全球共識。而大力發(fā)展綠色安全的大規(guī)模儲能技術(shù)則是可再生能源充分開發(fā)利用的必要技術(shù)支撐。

可充型鋅電池就是一種頗具前景的綠色安全的儲能技術(shù)，其采用與鋰電池相似的工作原理，利用電解液中鋅離子在正負(fù)兩個(gè)電極間的往復(fù)穿梭來存儲和釋放電能。

不過與鋰電池采用高度可燃性的有機(jī)電解液不同，可充型鋅電池主要用水作為電解液溶劑，因此不存在鋰電的可燃、易爆等問題，使用更加安全。

“而且由于鋅電池的原材料儲量豐富，電池裝配、儲存、運(yùn)輸和維護(hù)又相對簡單，因此被認(rèn)為在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景，近年來受到了廣泛關(guān)注。”天津大學(xué)化工學(xué)院教授楊全紅介紹。

但是，作為負(fù)極的金屬鋅在水系電解液中存在著嚴(yán)重的枝晶和腐蝕問題亟待解決。

“所謂枝晶是指充電過程中電解液中的鋅離子在鋅負(fù)極上發(fā)生不均勻沉積，從而出現(xiàn)的樹枝狀金屬鋅。”楊全紅解釋，這種枝晶在電池充放電時(shí)不斷長大，最終會刺穿隔膜與正極接觸，從而導(dǎo)致電池因內(nèi)部短路而失效。腐蝕問題主要是由于金屬鋅較為活潑，會自發(fā)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而持續(xù)消耗金屬鋅負(fù)極和電解液，導(dǎo)致電池使用壽命大幅縮短。

“可以說，金屬鋅負(fù)極的枝晶和腐蝕問題嚴(yán)重制約了鋅電池的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用。”楊全紅說。

新型電解液由水合四氟硼酸鋅鹽和乙二醇組成

為了攻克可充型鋅電池所面臨的這兩大難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了由水合四氟硼酸鋅鹽和乙二醇溶劑組成的新型電解液。

以乙二醇代替水作為電解液溶劑，可以大幅抑制金屬鋅負(fù)極的腐蝕問題，同時(shí)電解液中的四氟硼酸根陰離子和少量水分子（來自水合四氟硼酸鋅鹽中的結(jié)合水）會與金屬鋅負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，在鋅負(fù)極表面自發(fā)形成一種致密且穩(wěn)定的氟化鋅固態(tài)電解質(zhì)界面層，該界面層可以在允許鋅離子通過的同時(shí)隔絕電解液與鋅負(fù)極的直接接觸，從而進(jìn)一步抑制了鋅枝晶的生成和腐蝕副反應(yīng)的發(fā)生，極大地提升了鋅電池的使用壽命。

“雖然乙二醇也是一種易燃的有機(jī)溶劑，但是水合四氟硼酸鋅鹽卻是一種被廣泛使用的阻燃劑。”楊全紅介紹，因此，這種由水合四氟硼酸鋅鹽和乙二醇組成的電解液依然保持了與水系電解液一樣的不可燃性，安全可靠。

不僅如此，乙二醇本身的高沸點(diǎn)以及電解液中組分間的強(qiáng)相互作用，使得該電解液不易揮發(fā)和結(jié)冰，可以同時(shí)耐受酷暑（40℃）和嚴(yán)寒（-30℃），這是目前水系電解液無法企及的，大大拓寬了鋅電池的應(yīng)用范圍。

“由于水合四氟硼酸鋅鹽和乙二醇的工業(yè)應(yīng)用成熟、成本低廉，使得我們研發(fā)的新型電解液的成本與目前最便宜的水系電解液相當(dāng)。”楊全紅表示。

該電解液有效解決了金屬鋅負(fù)極在水系電解液中的枝晶、腐蝕等難題，同時(shí)巧妙克服了傳統(tǒng)有機(jī)電解液成本與安全性難以兼顧的瓶頸，為開發(fā)新一代兼具高安全、低成本、高性能電池電解液提供了全新的思路，有望推動高性能鋅電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

該研究成果《用于可持續(xù)鋅電池的不可燃含水有機(jī)電解液》于12月2日在線發(fā)表在《自然-可持續(xù)性》（Nature Sustainability）上，DOI：10.1038/s41893-021-00800-9。天津大學(xué)化工學(xué)院博士后韓大量、博士生崔長俊為共同第一作者，天津大學(xué)化工學(xué)院楊全紅教授和翁哲教授、清華大學(xué)康飛宇教授為共同通訊作者。

《自然-可持續(xù)性》同期配發(fā)專文評述，認(rèn)為此工作利用廉價(jià)并環(huán)境友好的電解液解決了鋅電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的幾個(gè)關(guān)鍵問題，為構(gòu)建可持續(xù)的未來提供了可靠又性價(jià)比高的電池解決方案。

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