复旦大学晁栋梁Sci. Adv.：一种固固金属转换电化学方法实现可持续水系电池中91%的锌利用率

Nanoer-z

2022-10-15

在重复的固-液（Solid-to-Liquid，StoL）电镀和液-固（Liquid-to-Solid，LtoS）剥离过程中，金属离子（Mⁿ⁺）的扩散限制聚集（Diffusion-Limited Aggregation，DLA）加剧了金属阳极的致命枝晶生长。鉴于此，复旦大学晁栋梁教授等报道了一种新的固-固（Solid-to-Solid，StoS）转化电化学，以抑制枝晶并提高金属的利用率。

本文要点：

（1）这项工作不依赖传统的StoL金属阳极，而是使用难溶的金属碳酸盐和独特的StoS转化反应来构建不含枝晶的水系电池。这种新的电化学可以抑制DLA效应，因为在电极和电解液之间的阴离子传输优先，而不是阳离子的长距离扩散，并具有长周期稳定性。具体来说，在放电过程中，难溶碳酸盐原位还原为金属，而在充电过程中，金属与电解液中可用的CO₃^2-和OH⁻发生反应成核，形成xM_n/2CO₃·yM(OH)_n晶体，与金属颗粒相邻，而不是Mⁿ⁺扩散到电解液中造成浓度差。

（2）得益于这一新设计，难溶碳酸盐2ZnCO₃·3Zn(OH)₂可在95.7%的利用率下进行充放电，且在3500次循环中无枝晶生长。基于这种新阳极设计的全水系锌镍电池具有91.3%的高锌利用率和270 Wh·kg⁻¹的能量密度，以及超过2000次的长循环寿命。最后基于这种新颖的设计，商业级1-Ah原型软包电池（prototype pouch cell）的能量密度为135 Wh·kg⁻¹，500次循环后容量保持率为90%。

Z. Hou, T. Zhang, X. Liu, Z. Xu, J. Liu, W. Zhou, Y. Qian, H. J. Fan, D. Chao, D. Zhao, Science Advances 2022, 8, eabp8960.

DOI: 10.1126/sciadv.abp8960

https://doi.org/10.1126/sciadv.abp8960