大化所李先锋/尹彦斌EES：电解液浓度调节实现高度可逆的锌沉积！

2023年11月30日下午12:48 • 顶刊解读

锌(Zn)基液流电池(ZFBs)具有储量丰富、环境友好、本质安全、理论能量密度高等优点，非常适合于大规模固定储能。以往的研究证实，由于不同程度的枝晶生长和沉积物脱落，Zn沉积行为对电池性能有重要影响，特别是对库伦效率(CE)和循环稳定性。为了避免枝晶的生长，已经提出了许多有效的方法，如阳极表面改性、宿主结构优化和在电解液中引入添加剂，但是电解液中阳离子的浓度对锌沉积形貌的影响还没有被研究。与Zn离子电池不同，在ZFBs的电解液中，Zn²⁺的浓度在锌沉积/溶解过程中是动态变化的。理解Zn形貌演变与Zn²⁺浓度实时变化的关系对ZFBs极为重要。

大连化物所李先锋研究员和尹彦斌博士（共同通讯）在Energy & Environmental Science发表文章A Highly Reversible Zinc Deposition for Flow Batteries Regulated by Critical Concentration Induced Nucleation，通过电解液浓度的调节在液流电池中实现了Zn的高度可逆的沉积和溶解。

本文对ZFBs中沉积Zn的形态演变和机理进行了全面的实验研究，通过对不同浓度电解液中的Zn沉积形貌的研究，作者发现致密块状Zn的形成受高浓电解质(≥0.4 M)中瞬时形核的控制；在稀电解液(≤0.3 M)中，Zn因渐进成核而呈苔藓状。同时，Zn晶体的主导面由(002)变为(101)。在液流电池中，充电时，Zn²⁺浓度不断减小，为了原位观察Zn在液流电池中的沉积，利用原位原子力显微镜(AFM)观察了在变化的电解液浓度下，Zn晶体在同一晶面上的复合，其沉积的形貌与之前非原位的结果一致。

值得注意的是，为了保持高库伦效率(CE >99.5%)和长周期稳定性，根据Zn的形貌演变，作者提出了一个工作临界浓度范围(≥0.4 M)和电解液利用率概念。

这一探索性工作将为电化学储能器件中锌阳极的进一步研究提供有益的参考。

大化所李先锋/尹彦斌EES：电解液浓度调节实现高度可逆的锌沉积！

图1. (a)-(h)锌在不同浓度Zn²⁺溶液中电镀后的SEM图像和(i) XRD图谱。(j)晶面与(102)面平均峰强比

大化所李先锋/尹彦斌EES：电解液浓度调节实现高度可逆的锌沉积！

图2. 电化学测试

大化所李先锋/尹彦斌EES：电解液浓度调节实现高度可逆的锌沉积！

图3. 在(a)-(d) 0.5 M和(e)-(h) 0.1 M Zn²⁺电解液中，以10mA cm⁻²的电流在HOPG上沉积Zn的原位AFM图像

大化所李先锋/尹彦斌EES：电解液浓度调节实现高度可逆的锌沉积！

图4. (a)锌-溴液流电池在2 M电解液中~100%利用率时的充电曲线。(b) 沉积Zn的横断面图像。(c)浓度下降时Zn沉积示意图变化

图5. 使用不同浓度电解液的电池性能测试

文献信息

A Highly Reversible Zinc Deposition for Flow Batteries Regulated by Critical Concentration Induced Nucleation. Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00783A.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/ee/d1ee00783a

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