UCLA李煜章教授ACS Energy Letters：锌电池在静置条件下的巨大容量损失
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阅读： 2023/8/30 9:00:39
▲第一作者：刘博
通讯作者：李煜章
通讯单位：加州大学洛杉矶分校（UCLA）
论文DOI：
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01282
01
背景介绍&研究出发点
当今主流的锂离子电池技术存在一些问题，比如高成本、易燃性以及对关键矿物的依赖，而这些问题可以通过锌基电池技术来缓解。低成本的锌电池在大规模电网应用中有很大潜力，但这需要同时具备长循环寿命和长静置寿命（即长时间静置时的稳定性，例如，电动汽车的停放；电网储能的间歇性）。目前的研究多集中在循环稳定性方面，但对于锌电池化学体系静置过程中的机制了解不足。因此，我们需要深入研究和量化这些机制，以更好地理解和改进锌电池化学体系的实际应用。
02
全文速览
该工作研究发现锌金属负极在仅仅24小时的静置过程中表现出12-37%的容量损失，这比之前研究过的任何其他电池化学体系的损失量都要大上一个数量级（图1）。通过利用透射电子显微镜和滴定气相色谱，该工作区分并量化了腐蚀损失（Zn2+）和失去电接触的"死"锌（Zn0）所导致的损失，揭示了"死"锌是锌电池静置过程中容量损失的主要因素并提供了可能的解决方案。
▲图1：锂电池和锌电池化学体系静置过程中的不同机制
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图文解析
要点一：静置过程对锌金属负极库伦效率（CE）的影响（图2）
通过对不同参数的独立变化，研究发现在各种条件下（如电解液、基底结构、温度、时间、沉积容量等）锌电池在静置过程中均表现出显著的CE损失，该损失的幅度与之前测试的锂电池体系相比高出一个数量级。
▲图2：静置过程对锌金属负极库伦效率的影响
要点二：静置过程对无负极全电池循环性能的影响（图3）
通过使用无负极的全电池体系进一步量化了静置过程对真实电池性能的影响，证实了在100%充电状态下，仅两小时的静置过程即可大幅降低电池性能。
▲图3：静置过程对无负极全电池循环性能的影响
要点三：非活性Zn的纳米结构演化（图4）
为了了解锌金属负极在静置过程中纳米尺度上的机制，该工作通过扫描电子显微镜观察到与Cu基底分离的残留非活性Zn，通过透射电子显微镜进一步证实这些非活性Zn为金属锌和锌的氧化物（例如，ZnO，Zn(OH)2，ZnSO4[Zn(OH)2]3?xH2O）的复合物，同时观察到锌金属显著的形态变化，揭示了由于Zn表面缺少致密的固态电解质保护膜（SEI），局部腐蚀和空隙持续生成，加速了活性材料的流失。
▲图4：非活性Zn的纳米结构演化
要点四：非活性Zn的成分分析（图5）
X射线光电子能谱（XPS）能检测到Cu基底上不同强度的Zn0和Zn2+信号，存在静置过程的样品中，Zn0峰的强度远大于Zn2+，表明"死"锌的剩余量更大。为了高精度和准确地量化腐蚀损失（Zn2+）和"死"锌（Zn0）所导致的损失，研究进一步采用了滴定气相色谱法（TGC），定量地明确了静置过程中"死"锌是主要的CE损失来源，与此同时，腐蚀也在一定程度上对损失产生影响。
▲图5：非活性Zn的成分分析
04
总结与展望
研究发现，在静置过程中，锌电池化学体系表现出来自"死"锌和腐蚀的大量容量损失。一方面，可以通过调整电解液，扩展电压窗口（提高稳定性）降低水的活性或形成更具有保护性的SEI来减少腐蚀。另一方面，研究发现，三维集流体在静置期间的CE损失（26%）要比二维集流体（37%）低，因此可以采用三维集流体或施加外压增加电接触，恢复“死”锌的活性，以减少“死”锌的形成。
05
课题组介绍
通讯作者简介
李煜章，加州大学洛杉矶分校化工系助理教授。2009-2013年加州大学伯克利分校本科，2013-2018年斯坦福大学博士（导师：崔屹教授），2018-2020年斯坦福大学博士后（合作导师：Prof. Bob Sinclair & 崔屹教授），2020年7月入职加州大学洛杉矶分校。以第一作者或通讯作者身份在国际知名学术期刊Science, Nature, Nature Energy, Joule, Chem, Matter等发表论文数十篇，多次入选科睿唯安高被引作者（Clarivate Highly Cited Researcher），总被引14000多次，h-指数为42。入选美国能源部早期职业生涯奖（DOE Early Career award），美国国家科学基金会职业生涯奖（NSF Career award），美国化学会石油研究基金新研究员奖（ACS PRF Doctoral New Investigator Award），福布斯30岁以下30人榜单（Forbes 30 Under 30 in Science）等多项奖励。
第一作者简介
刘博，加州大学洛杉矶分校化工系博士生，以第一作者在Advanced Materials，ACS Energy Letters，Journal of Materials Chemistry A，Energy & Environmental Materials，Infomat等国际知名学术期刊发表论文数篇。
研究方向介绍
课题组聚焦于冷冻电镜、纳米材料合成以及电化学的学科交叉，致力于通过以冷冻电镜为代表的先进表征技术，揭示电化学、锂电池原子水平的现象和机理，以指导功能材料的设计与实际应用,详见：
https://sites.google.com/view/li-groupucla/research
目前主要研究方向如下：
1.先进锂电池的机理与应用研究
2.锂电池高效回收技术
3.冷冻电镜先进表征技术的应用
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课题组招聘
1. 博士研究生两名（2024年秋季入学），竭诚欢迎化工、化学、材料、物理等专业的学生申报，详见：
https://www.chemeng.ucla.edu/graduate-admissions/
申请过程如有任何疑问或期望讨论研究兴趣和潜在项目，鼓励提前通过邮件联系：
yuzhangli@ucla.edu
2. 博士后若干名（随时入职），请将CV，相关论著，职业目标和研究简介等发送至：
yuzhangli@ucla.edu
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