宁波大学苗鹤课题组ESM综述：碱性电解液中锌电极的研究进展

  • A+
▲第一作者：邱栋阳        


通讯作者：苗鹤      
通讯单位：宁波大学         
论文DOI：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.102903           

01

全文速览


该文章回顾了反应机理，碱性锌电极当前面临的挑战，同时汇总了碱性锌电极在解决方案上的最新研究进展。

02

背景介绍


锌(Zn)作为一种安全、丰富且低成本的负极材料，在碱性环境中具有快速的反应动力学和高能量密度。碱性锌电池(AZBs)，例如锌空气电池、锌银电池、锌锰电池和锌镍电池已成功开发并商业化。然而，这些电池中的锌电极仍然面临一些严峻的挑战，例如锌沉积不均匀、析氢、表面钝化。针对这些问题，人们对锌电极采取了一系列的优化策略，包括调节锌电极的成分、形貌和结构，优化电解质-电极界面和电解质的组成等。在此，本文重点关注反应机制，碱性锌电极当前面临的挑战和采用的解决方案。然后提出了碱性锌电极的研究重点、发展方向和发展建议。

03

研究出发点


⭐总结了碱性锌电池锌电极中锌沉积不均匀、析氢、表面钝化等问题。
⭐分析了这些问题的机理及其对碱性锌电池性能的影响。
⭐讨论了阳极、界面和电解质方面解决这些问题的主要策略。
⭐展望了未来碱性锌电池锌电极的发展方向和重点问题。 

04

图文解析


 
1
▲图1. AZBs的发展和特点：(a) 典型AZBs的发展里程碑。(b) ZABs和LIBs之间的比较。(c) Zn和O2电极在碱性溶液中的电位(V)-电流(I)曲线示意图。

2
▲图2. AZBs存在的问题：Zn沉积不均匀、析氢、表面钝化。

0
▲图3. 碱性电解质中Zn电极的优化策略。

05

总结与展望


碱性锌电池具有低成本和高安全属性，具有广阔的商业前景。碱性锌电池包括锌空气电池、锌钴电池、锌镍电池、锌银电池、锌锰电池、锌铋电池和锌铜电池等。目前，几种碱性锌电池已经商业化，包括可充电锌镍电池。电池、一次锌锰电池和锌空气电池。然而，碱性锌电池特别是锌电极，存在一系列问题和挑战。锌电极在充放电过程中发生的一系列副反应导致锌电极严重钝化、锌沉积不均匀、析氢等，成为碱性锌电池进一步发展的主要障碍。本文分析了近十年来碱性锌电池锌电极的研究进展，系统总结了解决上述问题的策略。Zn电极的优化策略总结如下：
1. 锌电极的优化，包括其形貌、结构、成分、制备方法和集流体。该策略的主要作用包括：
(1) 保证电流在Zn电极表面的均匀分布。
(2) 提高析氢过电势。
(3) 减少电极-电解质界面处的锌酸盐浓差极化。
(4) 提供更大的活性表面积和更好的导电网络。
然而，该策略也面临一些挑战：
(1) Zn电极的大比表面积 (例如3D多孔Zn) 扩大了Zn电极的活性表面，但加速了Zn在碱性电解液中的自腐蚀速率。
(2) 合金元素或其他添加剂的引入抑制了副反应，但增加了AZBs的成本。
2.电解质-电极界面的优化，包括无机和有机涂层。该策略的主要作用包括
：(1) 避免电极与电解液的直接接触。
(2) 限制锌电极周围的锌酸盐移动并减少其穿梭效应。
(3) 保证Zn电极表面电场分布均匀。
在锌电极上构建人工涂层还存在以下挑战：
(1) 在长时间的充放电循环过程中，涂层会从锌电极表面剥落。
(2) 充放电循环过程中由于体积变化导致涂层破裂。
(3) 由于涂层的存在，Zn的电化学活性表面减少。
(4) 镀锌层施工工艺复杂。
3.电解质的优化，包括添加无机和有机添加剂。该策略的主要功能包括：
(1) 通过在电极表面吸附来保护Zn电极。
(2) 降低Zn(OH)42-解离成Zn2+的能垒。
(3) 均匀化Zn电极表面的电流密度。
(4) 降低电解液中水的活性。
(5) 增加Zn电极的润湿性，减少浓差极化。
电解质的优化也面临着许多挑战，包括：
(1) 添加剂的引入可能导致电解质电导率下降和电荷转移电阻增加。
(2) 电解液粘度增大，充放电浓差极化增大。
(3) 添加剂在充放电循环过程中不断消耗，直至不足。
(4) 高温或长时间储存稳定性差。

除了上述优化方法外，本文还针对AZBs的开发提出了以下研究方法和优化策略：
(1) 大多数研究都强调对锌电极的电化学测量。事实上，电池的整体性能更值得关注。例如，电极添加剂的引入会不可避免地降低活性锌的比例，从而不可避免地降低碱性锌电池 的比容量密度。同时，当引入电解质添加剂以提高锌电极的循环能力或耐腐蚀性时，添加剂通常会增加电池的整体阻抗，从而影响 碱性锌电池的功率密度和放电性能。
(2) 锌电极在碱性电解质中会发生自腐蚀，长期储存后会降低电池容量，这一点在实际工业应用中尤为重要。然而，很少有研究涉及锌电极的储存性能。此外，碱性锌电池通常以可变功率放电，而大多数研究都没有评估碱性锌电池在这种放电条件下的性能。
(3) 单一的解决方案不足以解决锌电极的所有问题，因此建议同时采用多种策略来解决锌电极的问题，例如在具有三维多孔结构的锌阳极中引入添加剂，以缓解三维多孔锌电极的自腐蚀问题。
(4) 对各种策略的基本认识和理论研究还不是很清楚。目前对锌电极的测试大多仍基于非原位测试。因此，建议使用原位方法来揭示锌电极在充放电过程中的反应机理和演化机制。

06

通讯作者简介


苗鹤教授
1979年出生，博士。宁波大学教授、博士生导师。2008年博士毕业于浙江大学材料科学与工程专业，同年加入中科院宁波材料技术与工程研究所，2017年加入宁波大学，2019年赴新加坡南洋理工大学留学。宁波市百名创新人才、宁波市领军与拔尖人才、宁波市“3315”创新团队核心成员，国家重点领域创新团队核心成员。研究领域：燃料电池、金属空气电池、海水分解制氢、退役锂电池回收。在Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Chem. Commun.、J. Power sources等国际知名期刊上发表论文80余篇，授权国家发明专利30余项，其中15项专利技术转移或授权至企业进行产业化，所开发技术培育高科技公司2家。

原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829723002829




weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论：0