中国学者实现91金属电极利用率，为电池能量密度瓶颈提供新思路

　　当下，无论在有机电池还是水系电池领域，关于金属电极的研究都非常火热，包括锂、钠、锌金属等。但实际上， 金属负极的枝晶问题和利用率问题 一直是金属电极研究的＂阿喀琉斯之踵＂。
　　近年来，水系锌金属电池由于其高安全、高容量、低成本等优势，得到了各领域的高度关注。不容忽视的是，由于 低金属负极利用率会极大地影响水系电池的能量密度。
　　因此，长期以来，锌金属的利用率问题得不到解决，成为水系电池领域＂悬而未决＂的问题之一。而这一难点直接关系着全电池的能量密度、电池的电芯设计及 N/P 比。
　　近日，复旦大学和中国科学技术大学团队合作，首次开发了一种 ＂固-固转化型金属电极＂ 新机制，基于该反应机制的 全电池中 金属电极利用率达到 91% 以上。并且，由此得到的全电池能量密度可达 135Wh/kg。
　　值得关注的是，该反应机制具有普适性，它不仅可以在锌电池中发挥作用，而且还可拓展到其他金属负极体系，比如碱式碳酸铜-铜及其它体系。
　　因此， 该研究为不仅可解决当前水系电池能量密度瓶颈难题，还为金属电极的相关研究提供了新的思路。
　　图丨相关论文（来源：Science Advance）
　　近日，相关论文以《一种具有 91% 锌利用率的固-固转化型金属负极实现可持续的水系电池》（A Solid-to-Solid Metallic Conversion Electrochemistry towards 91% Zinc Utilization for Sustainable Aqueous Batteries）为题发表在Science Advance 上[1]。
　　该论文共同第一作者为中国科学技术大学的侯之国和复旦大学的张腾升，通讯作者为复旦大学先进材料实验室晁栋梁教授。
　　审稿人对该论文评价称：＂该研究结合了先进的原位表征和理论模拟，是碱性水系电池发展的一项有趣而重要的工作，可以为未来水系电池系统的设计提供重要的指导。＂
　　为解决水系电池能量密度瓶颈问题提供新思路
　　据悉，该研究在复旦大学赵东元院士与中国科学技术大学钱逸泰院士的支持和带领下，通过团队合作，历时三年得以发表。研究期间的相关讨论超过百余次，是两个团队在思想凝练（理论）与实验分析（实际）分工两个方面的完美结合。
　　金属作为负极有没有特例可循呢？于是，该团队讨论， 为何在商用的铅酸电池和镍镉电池中同样也是利用金属作负极，但在它们中却甚少碰到＂枝晶生长＂的困扰呢？
　　终其原因在于，二者的反应机制不尽相同。具体来说，微溶盐-金属的固-固转化反应类似铅酸/镍镉的负极反应机制，显然，其与锌金属电池中常见的液-固反应过程截然不同，但又具有参考价值。
　　图丨传统固-液、液-固反应与固-固转化反应金属电极示意图（来源：Science Advance）
　　＂如果我们能通过一种技术实现锌金属的固-固转化机制，这样就能避免扩散限制凝聚效应及其所引发的枝晶生长过程，这样可以大大促进金属利用率的提高。＂晁栋梁说。
　　基于这一设计，他们成功地抑制了金属电极在循环过程中枝晶的产生，大幅度的提升了锌金属电极的利用率。
　　图丨基于固-固转化反应金属极电池的电化学性能（来源：Science Advance）
　　该研究中金属电极的利用率在全电池中依旧可以实现 91% 以上，并且由此得到的能量密度可达 135Wh/kg。根据调研， 这可能是目前有关水系电池中金属电极研究所能得到的最高利用率。
　　该研究过程包括固-固反应机制的设计、基底材料的选择、电极材料的配方、软包电池的制备工艺等。
　　当然，最关键的步骤还是反应机制的设计和理解。＂这是这项研究的源头，没有前面的灵感来源，便没有这项研究的诞生。＂晁栋梁说。
　　＂上书架＂后持续技术升级，致力于实现＂上货架＂
　　近年来，晁栋梁与所在团队一直在致力于水系储能器件的电荷存储机理和应用研究。（DeepTech以往报道：复旦大学晁栋梁：开发高安全、低成本的新型水性电池）
　　2016 年，他们开始对水系电池正极材料进行研究，在 2018 年还发表了第一篇有关锌电池的综述，目前已被引用超过 1000 次。随后，还陆续做了系列针对水系电池能量密度瓶颈的相关科学研究和应用探索。
　　他们不仅发明了第一代、第二代电解锌锰电池，还突破了高能水系电池需要使用高浓电解液的限制，在常规浓度电解液中实现了系列具有高电压、高容量、低成本的新型水系电池体系的开发。
　　在产业化方面，该团队已经与企业进行合作转化，并希望尽早将新型电池技术推向市场。
　　图｜复旦大学教授、《今日能源材料》副主编晁栋梁 （来源：DeepTech）
　　下一步，该团队将在技术继续升级的同时，也将协力把该新技术推向产业化发展道路。据了解，在该论文发表后，已引起多家电池企业的关注与技术对接。
　　晁栋梁表示，希望通过与国内外同行的努力，让新型安全、高能水系电池的相关研究既能＂上书架＂，也能最终实现＂上货架＂。＂未来我们将持续发力，争取在水系电池的基础研究和应用研究上都取得更多、更好的引领性成果。＂
　　参考资料：
　　1.Zhiguo hou，Tengsheng Zhang et al.  Science Advance  8，41（2022）. DOI：10.1126/sciadv.abp8960