天津大学研发水性可充电锌镍电池：优化锌负极，解决短路问题

天津大学研发水性可充电锌镍电池：优化锌负极，解决短路问题

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【作者单位】

天津大学

抽象的

水系可充电锌镍电池 (ARZNB) 因其安全性和潜在的高能量密度而被广泛视为锂储能装置的替代品。然而，目前实用的 ARZNB 由于锌阳极固有的问题而容易受到短路攻击。在锌阳极的优化方法中，适当的阳极粘合剂工程是一种简单而有竞争力的解决方案，可能需要它来解决锌枝晶、锌可逆性差以及难以扩大实际生产规模的问题。在本文中，Zn 阳极是通过水处理将三乙醇胺 (TEA) 与传统粘合剂胶简单混合而制备的。具体而言，它由商业化学添加剂三乙醇胺 (TEA)、聚乙烯醇 (PVA) 基质和聚丙烯酸钾 (PAAK) 添加剂组成，以保持水分并帮助溶解 PVA。而 TEA 有助于实现浆料更好的分散和润湿性能，以及稳定的界面结构和更好的阳极耐电解液性。 值得注意的是，该策略展示了 TEA 对阳极的整平作用，超越了传统的向电解质中添加添加剂的方法。因此，与传统阳极的基准相比，使用该复合粘合剂制备的放大大面积 Zn-Ni 软包电池 (~3 Ah) 表现出超长稳定的恒电流循环性能 (~1.3 V，>450 次循环和 1200 小时) 和卓越的能量效率以及相当大的循环放电负荷 (~753 mA g-1 Zn 和 ~75 mA cm-2)。

本研究表明TEA改性粘结剂对锌负极具有协同作用，为锌负极的改性提供了一种有前景的途径。

【实验方法】

粘合剂的制备：

首先将1.5 g聚乙烯醇粉末溶解于50 mL去离子水中，在45 ℃水浴中加热，匀速（～）搅拌直至每个PVA颗粒完全溶解。然后，在不断搅拌下将0.05 g聚丙烯酸钾（PAAK）粉末加入PVA溶液中，PVA+PAAK溶液逐渐变粘稠。之后，在不断搅拌下将0.5 g聚四氟乙烯乳液（60 wt. PTFE乳液）与粘合胶混合，直至粘合胶外观均匀。此外，在粘合胶中混入0.1 g十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂和100 μL二（丙二醇）二苯甲酸酯增塑剂等惰性添加剂，以获得更好的延展性和可塑性。

TEA改性粘结剂的制备：

与原粘结剂相比，TEA改性粘结剂的制备工艺与原粘结剂相同，只是在加入PAAK和PTFE的步骤之间，加入0.5mL液态三乙醇胺，搅拌至pH值调节至约9，成品呈半透明状，碱性适中。制备50mL粘结剂胶水所需TEA化学品比重(98%)为0.565g，TEA实际含量约0.5537g，摩尔数​​约3.。制备负极时，TEA实际含量对应约32.59mg，负极中TEA与7g ZnO的质量比约为0.47%。

负极制备：

与原粘结剂相比，TEA改性粘结剂的制备工艺与原粘结剂相同，只是在加入PAAK和PTFE的步骤之间，加入0.5mL液态三乙醇胺，搅拌至pH值调节至约9，成品呈半透明状，碱性适中。制备50mL粘结剂胶水所需TEA化学品比重(98%)为0.565g，TEA实际含量约0.5537g，摩尔数​​约3.。制备负极时，TEA实际含量对应约32.59mg，负极中TEA与7g ZnO的质量比约为0.47%。

【图片摘录】

【主要结论】

本文提出了一种新策略，利用多孔NVP作为阳极保护层来弥补锌箔阳极表面固有的缺陷。研究表明：

（1）少量TEA的引入，并没有降低电解液的离子电导率，反而改善了电极的可逆性，提高了电极/电解液界面的离子电导率，降低了电荷转移阻力，有效促进了锌的均匀沉积，抑制了锌枝晶的形成，延缓了电极变形的发生。

（2）TEA的加入使得基于水基复合聚合物粘结材料的负极具有良好的负极浆料分散性和润湿性、稳定的界面结构和干负极更好的电解液耐受性，同时有效提高循环过程中负极的有效电荷转移和整平效果。

（3）TEA在一定的添加量下，不破坏原胶原有的粘度，克服了原胶的团聚问题。

总体而言，本文研究的简单策略确实提高了软包式ARZNB电池的长期循环性能，具有很大的推广应用潜力，为实用化Zn-Ni水系充电电池锌负极的优化铺平了便捷的道路。