新型电解液可实现安全可持续的锌电池的高效率

由俄勒冈州立大学研究人员领导的科学家开发了一种新型电解质，可将锌电池中锌金属阳极的效率提高到近100%，这是大规模储能锂离子电池替代品的突破。

这项研究是全球持续寻求新电池化学物质的一部分，这些化学物质能够在电网上存储可再生太阳能和风能，以便在没有阳光和风吹时使用。

俄勒冈州立大学理学院的Xiulei “David” Ji以及包括HP Inc.和俄勒冈州衍生公司GROTTHUSS INC.在内的合作，在Nature Sustainability上报告了他们的发现。

“这一突破代表了使消费者更容易获得锌金属电池的重大进步，”Ji说。“这些电池对于安装额外的太阳能和风力发电场至关重要。此外，它们还为家庭储能提供了安全高效的解决方案，并为易受自然灾害影响的社区提供了储能模块。

电池以化学能的形式储存电力，并通过反应将其转化为电能。有许多不同类型的电池，但它们中的大多数以相同的基本方式工作并包含相同的基本组件。

每个电池都有两个电极 - 阳极，电子从中流出到外部电路，阴极，从外部电路获取电子 - 以及电解质，分离电极并允许离子在它们之间流动的化学介质。

依靠安全丰富的金属，锌基电池是能量密集的，被视为广泛使用的锂离子电池的电网储能的可能替代品，锂离子电池的生产依赖于钴和镍等稀有金属供应的减少。钴和镍也是有毒的，如果它们从垃圾填埋场浸出，会污染生态系统和水源。

此外，锂离子电池中的电解质通常溶解在易燃有机溶剂中，这些有机溶剂通常在高工作电压下分解。其他安全问题包括树突，类似于电池内生长的小树。它们可以像蓟一样刺穿分离器，就像从车道的裂缝中生长出来的蓟一样，导致不必要的、有时是不安全的化学反应。

“锌金属电池是大规模储能的主要候选技术之一，”Ji说。“我们的新型混合电解质使用水和普通电池溶剂，不易燃，具有成本效益且对环境的影响很小。电解质由廉价氯化物盐的溶解混合物制成，主要成分是氯化锌。

Ji说，如果电池具有数千次循环的长循环寿命，则由锌电池组成的存储设施提供的电力成本只能与化石燃料生产的电力竞争。然而，迄今为止，由于锌阳极的可逆性性能差，循环寿命受到限制。

Ji解释说，在充电过程中，电解质中的锌阳离子会获得电子并镀在阳极表面上。在放电过程中，电镀阳极通过溶解到电解质中来放弃电子的工作量。

“这种镀锌和溶解过程往往是不可逆转的，”Ji说。“也就是说，电镀中使用的一些电子在放电过程中无法回收。这在被称为库仑效率的领域是一个问题。

库仑效率(CE)是衡量电子在电池中转移情况的指标，即从电池中提取的总电荷与整个周期中投入的电荷之比。锂离子电池的CE可以超过99%。

由Ji和包括麻省理工学院，宾夕法尼亚州立大学和加州大学河滨分校的科学家在内的合作者开发的新电解质使CE达到99.95%。

“锌电池的主要挑战是锌与电解质中的水反应，在所谓的析氢反应中产生氢气，”Ji说。“这种寄生反应导致循环寿命短，也是潜在的安全隐患。

然而，新的电解质限制了水的反应性，并通过在阳极表面形成“钝化层”几乎关闭了析氢反应。类似的钝化层使锂离子电池在 1990 年代首次商业化成为可能。

Ji赞扬俄勒冈州立大学化学同事Chong Fang通过使用飞秒拉曼光谱和加州大学河滨分校的Alex Greaney来确定钝化机制来揭示电解质的原子结构。

“此外，值得注意的是，我们测量的效率是在恶劣的条件下，不能掩盖析氢反应造成的任何损害，”Ji补充道。“这里报道的突破预示着锌金属电池在不久的将来将商业化，用于大规模电网存储。

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