近日，大連化學物理研究所儲能技術研究部(DNL17)李先鋒研究員團隊在鋅基電池的膜材料研究方面取得新進展。團隊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，并對膜結構調控鋅沉積過程的機理進行了詳細地研究和探討。
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，且與水性電解質具有良好的相容性等優(yōu)勢，在電化學儲能領域具有很好的應用前景。然而，鋅在沉積過程中容易產生鋅枝晶，在高面容量和高電流密度的工作條件下更為嚴重，影響電池的循環(huán)壽命。
本工作中，團隊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)，可以實現(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可以通過控制微區(qū)載流子通量，從而有效地調節(jié)Zn(OH)42-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)42-相互作用，可進一步誘導鋅的均勻沉積。結果表明，在80mA/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160mAh/cm2的超高面容量條件下穩(wěn)定工作。該工作為高穩(wěn)定鋅基二次電池的開發(fā)提供了新的思路。
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。該工作的第一作者是我所DNL17的2018級博士研究生吳金娥。上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院電化學工程實驗室、中國科學院A類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”等項目的支持。
