开发高能量密度、高安全性能的新型二次电池是储能领域的当务之急

开发高能量密度、高安全性能的新型二次电池是储能领域的当务之急

开发高能量密度、高安全性能、环境友好的新型二次电池是储能领域的重中之重。其中，水系电池由于其本质安全以及在成本、环境、离子电导率等方面的优势，在储能领域有着广阔的前景。在目前研究的所有水系电池中，碱性锌镍电池具有工作电压高（1.8V）、功率密度可观、电极材料资源丰富的优势，被认为是锂电池、铅酸电池和镍氢电池的有力竞争对手和替代品。但高浓度的强碱性介质会造成锌负极表面的自腐蚀，生成的Zn(OH)42-也易引起锌枝晶生长。另外，水系电池在电极/电解液界面易发生析氢反应。这些问题严重制约了高性能碱性锌镍电池的发展，因此如何克服这些问题对提高碱性锌镍电池的循环稳定性具有重要意义。

为有效解决碱性镍锌电池上述问题，华南理工大学程爽课题组近日在ACS&T期刊上发表题为“Zn基Ni–Zn电池的制备及性能研究”的文章，报道了相关研究的最新进展。华南理工大学环境与能源学院硕士生李路平为该论文第一作者。

研究组选取放电后的ZnO作为初始活性材料，在成本和形貌多样性方面具有优势，并设计了针对ZnO的两步保护策略，即在ZnO上涂覆一层C层（ZnO@C），在电极上涂覆一层薄聚乙烯醇（PVA）凝胶层。这种双重保护策略可以很好地抑制充电状态下锌的自腐蚀，同时还可以有效抑制水的活性，减少析氢反应。最重要的是，在放电之后，微量的Zn会作为种子残留在碳壳中，并在充电过程中诱导Zn在壳中均匀沉积，从而避免枝晶的形成。组装的碱性镍锌电池体系还表现出更好的电化学性能：在4 A g-1电流密度下（考虑ZnO@C的质量），放电容量可高达650 mA g-1，库仑效率高达99%；经过1200次循环后容量保持率为97%，表现出良好的循环性能；随着电流密度的增加，几乎没有出现容量衰减，容量甚至略有增加。此外，在不同电流密度下，放电中位电压均可达到1.8 V，这表明即使加入双重保护，锌负极仍然具有快速的反应动力学。本工作开发的双重保护策略非常有效地解决了锌基负极在碱性环境下面临的关键问题，组装电池在广泛的二次电池市场，特别是在对安全性要求较高的大规模储能市场中具有广阔的应用潜力。

图1（a）碱性锌基电池组成示意图。（b）锌枝晶与自腐蚀及析氢反应的相互作用。（c）碳层与PVA层双重保护层示意图，可抑制Zn(OH)42-和H2O的扩散。

图2 (a) ZnO 和 ZnO@C 的 XRD 图案和 (b) 拉曼光谱。(c) ZnO@C 的 TEM 和 (d) HRTEM 晶格图像。

图3 三电极体系中Ni(OH)2、ZnO@C和ZnO@C-PVA电极的(a)CV曲线和(b)GCD曲线​​。(c)各种ZnO基电极的EIS结果。(d)采用ZnO基电极的Ni-Zn全电池的CV曲线。

图4 (a)镍锌电池的光学照片和(b)示意图。(c)使用商业ZnO、自制ZnO和ZnO@C作为负极的全电池在4 A g-1下的循环性能。

图5 以ZnO@C-PVA为负极的Ni-Zn全电池电化学性能：（a）循环性能图和（c）4 A g-1下1200次循环的充电/放电曲线。（b）倍率性能图和（d）不同电流密度下的充电/放电曲线。（e）自放电测试，在完全充电状态下静置1小时。

图 6 循环后的 (a) 商业 ZnO、(b) 自制 ZnO、(c) ZnO@C 和 (d) ZnO@C-PVA 的 SEM 图像。(e) 完全放电状态下的 ZnO@C 的 SEM 图像和 (f) XRD 图案。

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