新型锌金属电池可廉价高效耐用安全环保

世界需要廉价而强大的电池，可以储存来自风或阳光的可持续电力，以便我们可以在需要时使用它，即使外面很黑或没有风吹。为我们的智能手机和电动汽车供电的最常见电池是锂离子电池。这些电池非常昂贵，因为全球对锂的需求正在飙升，而且这些电池也是高度易燃的。

水基锌电池为这些锂离子电池提供了一种有前途的替代品。由苏黎世联邦理工学院领导的一个国际研究小组现在制定了一项战略，为这种锌电池的发展带来了关键进展，使它们更强大、更安全、更环保。

耐用性是一项挑战

锌电池有许多优点：锌丰富，价格便宜，并且具有成熟的回收基础设施。此外，锌电池可以储存大量电力。最重要的是，锌电池不一定需要使用高度易燃的有机溶剂作为电解质流体，因为它们也可以使用水基电解质代替。

如果工程师在开发这些电池时没有必须面对的挑战：当锌电池在高压下充电时，电解液中的水在其中一个电极上反应形成氢气。发生这种情况时，电解液会减少，电池性能会下降。此外，这种反应会导致电池中积聚过多的压力，这可能是危险的。另一个问题是在电池充电过程中形成锌的尖峰沉积物，称为树突，可以穿透电池，在最坏的情况下甚至会导致短路并使电池无法使用。

盐使电池有毒

近年来，工程师们采取了用盐富集水性液体电解质的策略，以保持尽可能低的含水量。但这也有缺点：它使电解质流体粘稠，从而大大减慢了充电和放电过程。此外，许多使用的盐都含有氟，使它们有毒且对环境有害。

苏黎世联邦理工学院电化学能源系统教授Maria Lukatskaya现在与美国和瑞士几家研究机构的同事联手，系统地寻找水基锌离子电池的理想盐浓度。利用计算机模拟支持的实验，研究人员能够揭示理想的盐浓度并不像以前假设的那样是可能的最高浓度，而是相对较低的浓度：每个盐的正离子有五到十个水分子。研究结果发表在《能源与环境科学》杂志上。

持久的性能和快速充电

更重要的是，研究人员没有使用任何对环境有害的盐来改进，而是选择了环保的乙酸盐，称为乙酸盐。“有了理想的醋酸盐浓度，我们能够最大限度地减少电解质消耗并防止锌枝晶，就像其他科学家以前对高浓度有毒盐所做的那样，”Lukatskaya小组的博士生Dario Gomez Vazquez说。“此外，通过我们的方法，电池可以更快地充电和放电。

到目前为止，ETH研究人员已经在相对较小的实验室规模上测试了他们的新电池策略。下一步将是扩大这种方法的规模，看看它是否也可以转化为大型电池。理想情况下，这些可能有一天被用作电网中的存储单元，以补偿波动，或者在单户住宅的地下室中，允许白天生产的太阳能在晚上使用。

正如ETH教授Lukatskaya所解释的那样，在锌电池为市场做好准备之前，仍有一些挑战需要克服：电池由两个电极组成 - 阳极和阴极 - 以及它们之间的电解液。“我们表明，通过调整电解质成分，可以实现锌阳极的有效充电，”她说。“然而，展望未来，高性能正极材料也必须进行优化，以实现耐用和高效的锌电池。

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