崔屹&H.N. Alshareef：无负极水系锌-二氧化锰电池

时间:2021-01-22 11:37来源:能源学人作者:Energist

点击: 次

由于锌金属负极的低成本和高理论容量，水系锌基电池极具吸引力。然而，迄今为止开发的锌基电池采用的锌含量过高(即厚的锌金属负极)，这降低了整体电池的能量密度。近日，美国斯坦福大学崔屹教授和阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef合作以“An Anode-Free Zn−MnO₂Battery”为题，在Nano Letters上发表最新研究成果，通过采用纳米碳成核层实现了一种无负极设计(即零过量锌)。电化学研究表明，这种设计允许在一定的电流密度和电沉积容量范围内，高效稳定地进行均匀的锌电沉积。该无负极设计为在储能系统中使用水系锌基电池开辟了新的方向。

【文章解读】

1. 无负极电池的设计和性能

无负极电池设计通过消除厚的金属负极、电池的体积和重量最小化等，使其能量密度最大化 (图1a)。然而，这种无负极电池通常表现出较差的稳定性，因在循环过程中没有新鲜的负极金属来补充消耗（图1b）。

图1 （a）两种不同电池配置的示意图；（b）电池预测循环寿命与其负极库仑效率的关系图。

本文作者开发了一种简单而有效的策略来实现稳定高效的锌沉积/剥离。碳纳米圆盘层首先被涂覆到铜箔上，其可以促进均匀镀锌，同时降低成核能垒。300次电镀/剥离循环证实在形成均匀的Zn沉积物的情况下，可以保持99.6%的高平均库伦效率和35 mV的低过电位（图2a和b）。值得注意的是，锌盐对负极的沉积/电解效率和稳定性有显著影响；在本工作中，选择Zn(CF₃SO₃)₂来构建无负极锌电池。不同循环次数电化学阻抗谱测试表明，纳米碳层在构建稳定界面以及改善锌沉积/剥离方面发挥着关键作用。

进一步通过增加容量分析C/Cu电极上的电化学锌沉积/剥离 (图2d)。结果显示C/Cu电极在1 mA cm^-2下沉积15 min (0.25mAh cm^-2)至3 h (3mAh cm^-2)期间表现出稳定的性能，且平均库伦效率随着负载容量的增加而略有增加，从99.5%(0.25mAh cm^-2)增加到99.7%(3mAh cm^-2)，并以99.7%的高平均库伦效率实现了3mAh cm^-2容量下50次稳定循环(图2e)。

图2 C/Cu电极的电化学镀锌/剥离性能。（a）库仑效率和电压滞后；（b）恒电流电镀曲线；（c）Nyquist曲线；（d）恒电流电镀/剥离曲线；（e）高负载(3 mAh cm-2)恒电流电镀/剥离稳定性。

2. 沉积锌的形貌表征

在Cu基底上锌沉积会形成大的枝晶 (图3a，b)；相反，在C/Cu电极上形成的锌沉积物是排列良好的纳米片阵列(图3c-h)。且随着沉积时间的延长，纳米片整理仍保持均匀，无多面体枝晶形成。

图3 镀锌后Cu和C/Cu电极的SEM图像。（a）电镀30 min后Cu电极的SEM图像；沉积5 min(c，d)、20 min(e，f)和1 h(g，h)后的C/Cu电极的SEM图像；Cu(i)和C/Cu(j)电极上锌成核过程的示意图。

3. 无负极Zn-MnO₂电池

基于上述高效镀锌/电解性能，作者进一步开发了一种无锌负极电池，以证明研究思路的可行性。作者选择β-MnO₂作为正极，原因是：(1)它是一种丰富而廉价的材料；(2)它显示出大容量和高平均放电电压，可在组装成无负极电池时实现高能量密度；(3)它的电化学Zn²⁺储存机理已被阐明。通过将C/Cu负极与预镀锌MnO₂正极耦合，来组装完全无负极电池，这对应于放电状态(图4a)。在充电过程中(图4b)，锌离子从正极出来，然后镀在C/Cu负极上。以这种方式，作者构建了一个锌锰电池，部件上不使用锌金属负极。

恒流充放电曲线(图4c)和循环测试(图4d)表明，设计的无锌负极电池可以稳定工作，且80次循环后可以实现68.2%的容量保持率。循环性和能量密度可以通过提高无负极锌锰电池中镀锌/剥离的库仑效率来解决。通过设计界面和设计新的电解质来优化负极，将显著增加库伦效率(≥99.9%)，从而实现优异的循环寿命和倍率性能。与传统标准电池配置相比，无负极设计显示出其它几个优势:(1)零过量锌允许对电池性能进行更准确和更贴近实际应用的研究，这涉及锌负极的动态行为。(2)与充电状态相比，无负极全电池在组装时的完全放电状态是一种低能量状态，这使得它们在处理时本质上更安全。(3)在组装好的无负极全电池中，自放电问题将被有效地防止。

图4 无负极Zn-MnO₂电池的示意图，由预镀锌MnO₂负极和C/Cu负极在完全放电(a)和充电(b)状态下组装而成；无负极全电池的恒电流电位曲线(c)和循环稳定性(d)；（e）无负极电池和标准电池能量密度的比较。

Yunpei Zhu, Yi Cui, and Husam N. Alshareef, An Anode-Free Zn−MnO₂ Battery, Nano Letters,2021.DOI：10.1021/acs.nanolett.0c04519

(责任编辑：子蕊)

文章标签：崔屹 H.N. Alshare

作者：Energist ，如若转载，请注明出处：http://www.cbcu.com.cn/qianyan//2021012235289.html

看完这篇还不够？如果你也也是同行业需要发布您的新闻报道，请戳这里告诉我们！

免责声明：本文仅代表作者个人观点，与中国电池联盟无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本网证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。
凡本网注明 “来源：XXX（非中国电池联盟）”的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的，请在一周内进行，以便我们及时处理。
QQ：503204601
邮箱：cbcu@cbcu.com.cn

中国电池工程师年会(2021CSBE)

电池制造工程师培训暨国家电池行业职业等级评价（高级）班

相关新闻

崔屹鲍哲南团队设计新型电解液，有望解决金属锂电池循环寿命难题

近日，斯坦福大学崔屹教授、鲍哲南教授课题组共同提出了一种全新的提升液态电解液性能设计的策略。

2021-06-04 10:10
斯柯达与捷克科技公司利用旧电池开发储能系统最高可储能328kWh

据外媒报道，大众汽车集团子公司斯柯达汽车与捷克科技公司 IBG Česko合作，使用电动汽车旧电池推出一种智能储能系统。目前，该系统已部署于斯柯达各经销商。

2021-06-03 10:23
Ampcera宣布推出全固态电池技术可实现EV超快速充电

据外媒报道，美国先进电动汽车（EV）固体电解质技术创新者Ampcera公司推出全固态电池技术，可使电动汽车实现超快速充电。目前该公司正针对该技术申请专利。

2021-04-16 08:40
UNIST开发无膜CO₂电池可快速有效地产生氢和电

经济高效的碳捕获、利用和封存技术，对于减少全球CO₂排放至关重要。

2021-03-05 11:21
GIST利用草酸钴催化剂提升锂硫电池寿命

为了延长电池寿命，科学家们一直在寻找催化剂，希望在运行时使降解过程实现可逆化。

2021-03-03 08:56
南科大邓永红&港理工郑子剑AM: 500Wh/kg！兼具长循环稳定性的超高能量密度锂金属电池

随着新能源产业的不断革新，动力电池系统的发展蒸蒸日上，各国对其能量密度的要求也不断提升。中国科学技术部(MOST)、美国能源部(DOE)、日本新能源产业综合开发机构(NEDO)均确立了2030年动力电池系统能量密度需达到500 Wh/kg这一明确目标。

2020-10-04 16:37
新型助剂可提高锂电池性能

由于消费者对电动汽车的需求增加，锂电池市场正在迅速增长。近期诺力昂开始交付首批AkuPure™——一种专门针对锂电池的羧甲基纤维素（CMC）。

2020-03-03 08:46
既安全又高比能的电池——SEB电池诞生

近日，美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士团队联合科技公司EC Power在动力电池上取得了突破性进展，发明了既安全又高比能的新型电池—SEB™电池。

2020-02-29 14:56

本月热点

2020年锂电池行业研究报告

中国新能源汽车市场快速回暖，欧洲市场政策加码，美国市场或成新增量。

2021-05-11 11:24
突发｜深圳一锂电企业停止经营、解散员工！

5月7日有知情者爆料称，今年五一假期前，一家深圳锂电池企业停止经营、解除全体员工劳动合同……

2021-05-11 10:02
4月我国动力电池装车量同比上升134.0%

2021年4月，我国动力电池装车量8.4GWh，同比上升134.0%。其中三元电池共计装车5.2GWh，同比上升97.3%；磷酸铁锂电池共计装车3.2GWh，同比上升244.5%。

2021-05-13 08:26
如何看待Pack内铁锂和三元混用

最近有两篇文章，分别从两个角度来看三元和铁锂的混用。

2021-06-01 09:25
可充电中性锌空气电池：进展，挑战和未来

本篇综述从三个方面总结了可充电中性锌空气电池的最新研究进展：电解液、锌负极和空气正极。

2021-05-19 10:59
揭开赣锋锂业的家底

今天的主角是A股锂矿第一股赣峰锂业(SZ:002460)。我们试图透过公开资料，揭开它的家底。

2021-06-03 09:46
“电池荒”来袭，生产纯电动汽车的车企要被卡脖子了？

放眼全球范围，其实电池短缺问题在今年年初已经显露，如今正逐渐逼近弹尽粮绝的时候。

2021-06-01 21:22
关于征集《锂离子电池用连续式真空干燥系统技术规范》等两项行业标准的函）征求意见程序

中国电器工业协会现启动《锂离子电池用连续式真空干燥系统技术规范》（2020-0865T-JB）（附件1）及广东正业科技股份有限公司牵头起草的《锂离子电池X射线检测设备》（2020-0870T-JB）（附件2）（工信厅科函【2020】181号）两项行业标准（征求意见稿）征求

2021-05-31 22:53

欢迎投稿

联系人：王女士
Email：cbcu#cbcu.com.cn
发送邮件时用@替换#
电话：010-53100736

在线投稿

崔屹鲍哲南团队设计新型电解液，有望解决金属锂电池循环寿命难题近日，斯坦福大学崔屹教授、鲍哲南教授课题组共同提出了一种全新的提升液态电解液性能设计的策略。 2021-06-04 10:10	斯柯达与捷克科技公司利用旧电池开发储能系统最高可储能328kWh 据外媒报道，大众汽车集团子公司斯柯达汽车与捷克科技公司 IBG Česko合作，使用电动汽车旧电池推出一种智能储能系统。目前，该系统已部署于斯柯达各经销商。 2021-06-03 10:23
Ampcera宣布推出全固态电池技术可实现EV超快速充电据外媒报道，美国先进电动汽车（EV）固体电解质技术创新者Ampcera公司推出全固态电池技术，可使电动汽车实现超快速充电。目前该公司正针对该技术申请专利。 2021-04-16 08:40	UNIST开发无膜CO₂电池可快速有效地产生氢和电经济高效的碳捕获、利用和封存技术，对于减少全球CO₂排放至关重要。 2021-03-05 11:21
GIST利用草酸钴催化剂提升锂硫电池寿命为了延长电池寿命，科学家们一直在寻找催化剂，希望在运行时使降解过程实现可逆化。 2021-03-03 08:56	南科大邓永红&港理工郑子剑AM: 500Wh/kg！兼具长循环稳定性的超高能量密度锂金属电池随着新能源产业的不断革新，动力电池系统的发展蒸蒸日上，各国对其能量密度的要求也不断提升。中国科学技术部(MOST)、美国能源部(DOE)、日本新能源产业综合开发机构(NEDO)均确立了2030年动力电池系统能量密度需达到500 Wh/kg这一明确目标。 2020-10-04 16:37
新型助剂可提高锂电池性能由于消费者对电动汽车的需求增加，锂电池市场正在迅速增长。近期诺力昂开始交付首批AkuPure™——一种专门针对锂电池的羧甲基纤维素（CMC）。 2020-03-03 08:46	既安全又高比能的电池——SEB电池诞生近日，美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士团队联合科技公司EC Power在动力电池上取得了突破性进展，发明了既安全又高比能的新型电池—SEB™电池。 2020-02-29 14:56
北大&马里兰大学Angew：氯化物和溴化物超离子导体助力高性能固态锂电池全固态锂离子电池（ASB）被认为是具有广阔前景的下一代能量存储装置。 2019-04-26 10:17