智能制造網(wǎng)APP
智能制造網(wǎng)手機(jī)站
智能制造網(wǎng)小程序
智能制造網(wǎng)官微
智能制造網(wǎng)服務(wù)號(hào)
智能控制
機(jī)器人
儀器儀表
物聯(lián)網(wǎng)
3D打印
工業(yè)軟件
回放
品牌
華測(cè)
在當(dāng)今全球能源轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，開發(fā)高安全、低成本、長(zhǎng)壽命的規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)已成為科研與產(chǎn)業(yè)界的共同焦點(diǎn)。水系鋅金屬電池，因其本質(zhì)安全、資源豐富、環(huán)境友好及理論能量密度高等優(yōu)勢(shì)，被視為極具潛力的下一代儲(chǔ)能體系之一。然而，其產(chǎn)業(yè)化道路長(zhǎng)期被一個(gè)關(guān)鍵瓶頸所阻礙——高溫環(huán)境下的嚴(yán)重性能衰減。高溫會(huì)加劇水的活性和副反應(yīng)，導(dǎo)致鋅負(fù)極不可控的枝晶生長(zhǎng)與腐蝕，極大縮短電池壽命，這如同為水系鋅電池的廣泛應(yīng)用套上了一把“高溫鎖”。
近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。他們創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制備出一類被稱為“濕砂”的結(jié)構(gòu)化凝膠電解質(zhì)，成功破解了水系鋅電池的高溫運(yùn)行難題，為解鎖其全氣候應(yīng)用潛力提供了顛覆性的解決方案。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上，引起了國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。
直面核心挑戰(zhàn)：高溫下的“水”之困局
要理解這項(xiàng)突破的價(jià)值，首先需直面水系鋅電池在高溫下的根本困境。與傳統(tǒng)使用易燃有機(jī)電解液的鋰離子電池不同，水系電池以水為電解液溶劑，雖贏得了安全性，卻引入了新的煩惱。水分子化學(xué)窗口窄，且其活性隨溫度升高而急劇增強(qiáng)。在高溫下：
副反應(yīng)肆虐：水更容易在電極界面發(fā)生分解，產(chǎn)生氫氣，并加劇鋅負(fù)極的腐蝕與鈍化。
枝晶失控：鋅離子遷移和沉積動(dòng)力學(xué)加快，但若無(wú)有效引導(dǎo)，極易形成尖銳的枝晶，刺穿隔膜導(dǎo)致電池短路。
電解液消耗：持續(xù)的副反應(yīng)和蒸發(fā)導(dǎo)致電解液干涸，電池性能迅速衰降。
因此，如何在高溫下有效“管理”水分子，馴服鋅離子的沉積行為，是攻克難關(guān)的核心。
靈感源于自然：“濕砂”電解質(zhì)的巧妙構(gòu)思
研究團(tuán)隊(duì)的靈感來(lái)源于常見的自然現(xiàn)象——濕砂。沙粒本身松散，但加入適量水后，卻能粘結(jié)成型，既保持一定的固體形態(tài)，又含有維持離子傳輸所必需的液態(tài)水。受此啟發(fā)，他們旨在設(shè)計(jì)一種電解質(zhì)，既能像固體一樣鎖住水分子、抑制其有害活性，又能像液體一樣保證離子高效傳導(dǎo)。
基于這一理念，團(tuán)隊(duì)通過(guò)精密的分子設(shè)計(jì)，合成了一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多功能聚合物基體。該基體富含大量特定的親鋅官能團(tuán)，構(gòu)成了獨(dú)特的“濕砂”結(jié)構(gòu)：
“沙粒”骨架：堅(jiān)固的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)作為支撐，賦予電解質(zhì)優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。
“鎖定”的水：網(wǎng)絡(luò)中的功能性位點(diǎn)通過(guò)強(qiáng)氫鍵等相互作用，牢牢錨定水分子，極大減少了自由水的含量與活性，從根本上抑制了高溫下水引發(fā)的副反應(yīng)和蒸發(fā)問(wèn)題。
離子傳輸通道：被固定的水分子在聚合物網(wǎng)絡(luò)中形成連續(xù)的離子傳輸通道，確保鋅離子能夠高效遷移。
智能引導(dǎo)沉積：更為關(guān)鍵的是，這些親鋅位點(diǎn)能優(yōu)先吸附鋅離子，調(diào)控其溶劑化結(jié)構(gòu)，在電極界面形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面膜，并引導(dǎo)鋅離子均勻、水平地沉積，有效抑制了枝晶的生長(zhǎng)。
卓越性能：高溫下的穩(wěn)定答卷
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有力地驗(yàn)證了“濕砂”電解質(zhì)設(shè)計(jì)的成功。研究顯示，采用這種新型電解質(zhì)的鋅對(duì)稱電池，在嚴(yán)苛的60℃高溫下，能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)2000小時(shí)的穩(wěn)定循環(huán)，且極化電壓始終保持平穩(wěn)，未出現(xiàn)短路跡象。與之對(duì)比，使用傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的電池在相同條件下，往往在數(shù)十或數(shù)百小時(shí)內(nèi)即因嚴(yán)重枝晶和副反應(yīng)而失效。
組裝成的完整鋅離子電池(如與二氧化錳或釩基正極匹配)同樣表現(xiàn)出色。在高溫循環(huán)測(cè)試中，電池不僅保持了高容量保持率，庫(kù)侖效率(反映充放電可逆性的關(guān)鍵指標(biāo))也始終維持在接近100%的高水平，證明了整個(gè)電化學(xué)體系的高度可逆性與穩(wěn)定性。此外，該電解質(zhì)還展現(xiàn)出良好的阻燃性能和寬溫域工作能力，進(jìn)一步提升了電池的安全邊界與應(yīng)用場(chǎng)景適應(yīng)性。
深遠(yuǎn)影響：為規(guī)模儲(chǔ)能打開新窗口
這項(xiàng)研究的突破性意義遠(yuǎn)不止于一個(gè)材料的創(chuàng)新：
突破溫度禁區(qū)：它直接拓寬了水系鋅電池的工作溫度范圍，使其能夠適應(yīng)炎熱地區(qū)、夏季戶外或特定工業(yè)環(huán)境等場(chǎng)景，為全氣候應(yīng)用掃清了關(guān)鍵障礙。
提升本征安全：通過(guò)“鎖水”和固態(tài)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步消除了電解液泄漏、揮發(fā)等風(fēng)險(xiǎn)，鞏固了水系電池的安全優(yōu)勢(shì)。
降低成本與工藝難度：凝膠電解質(zhì)便于封裝，可適配更簡(jiǎn)單的電池制造工藝，同時(shí)其原材料成本可控，有利于推動(dòng)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的降本。
提供普適性思路：“濕砂”這一結(jié)構(gòu)化電解質(zhì)的理念，不僅適用于鋅電池，也為其他面臨類似界面挑戰(zhàn)的水系金屬電池(如鉀、鈣離子電池)提供了新的技術(shù)啟發(fā)。
結(jié)語(yǔ)
中國(guó)科學(xué)院大連化物所的這項(xiàng)研究成果，宛如一把精心鍛造的“鑰匙”，解開了長(zhǎng)期禁錮水系鋅電池的“高溫鎖”。它巧妙地將自然智慧轉(zhuǎn)化為科技解決方案，通過(guò)“濕砂”電解質(zhì)這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水分子和離子沉積行為的精準(zhǔn)調(diào)控。這不僅標(biāo)志著我國(guó)在高安全儲(chǔ)能材料基礎(chǔ)研究方面取得的又一重要進(jìn)展，更為推動(dòng)水系鋅金屬電池從實(shí)驗(yàn)室走向電網(wǎng)儲(chǔ)能、備用電源、輕型電動(dòng)車等廣闊市場(chǎng)，注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。隨著后續(xù)工程化優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同開發(fā)的深入，耐高溫、長(zhǎng)壽命的水系鋅電池，有望在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的宏偉藍(lán)圖中，扮演越來(lái)越重要的角色。
浙公網(wǎng)安備 33010602000006號(hào)
智能制造網(wǎng)APP
智能制造網(wǎng)小程序
微信公眾號(hào)
