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大化所李先鋒/尹彥斌EES:電解液濃度調節實現高度可逆的鋅沉積!

鋅(Zn)基液流電池(ZFBs)具有儲量豐富、環境友好、本質安全、理論能量密度高等優點,非常適合于大規模固定儲能。以往的研究證實,由于不同程度的枝晶生長和沉積物脫落,Zn沉積行為對電池性能有重要影響,特別是對庫倫效率(CE)和循環穩定性。為了避免枝晶的生長,已經提出了許多有效的方法,如陽極表面改性、宿主結構優化和在電解液中引入添加劑,但是電解液中陽離子的濃度對鋅沉積形貌的影響還沒有被研究。與Zn離子電池不同,在ZFBs的電解液中,Zn2+的濃度在鋅沉積/溶解過程中是動態變化的。理解Zn形貌演變與Zn2+濃度實時變化的關系對ZFBs極為重要。
大化所李先鋒/尹彥斌EES:電解液濃度調節實現高度可逆的鋅沉積!
大連化物所李先鋒研究員尹彥斌博士(共同通訊)在Energy & Environmental Science發表文章A Highly Reversible Zinc Deposition for Flow Batteries Regulated by Critical Concentration Induced Nucleation,通過電解液濃度的調節在液流電池中實現了Zn的高度可逆的沉積和溶解。
本文對ZFBs中沉積Zn的形態演變和機理進行了全面的實驗研究,通過對不同濃度電解液中的Zn沉積形貌的研究,作者發現致密塊狀Zn的形成受高濃電解質(≥0.4 M)中瞬時形核的控制;在稀電解液(≤0.3 M)中,Zn因漸進成核而呈苔蘚狀。同時,Zn晶體的主導面由(002)變為(101)。在液流電池中,充電時,Zn2+濃度不斷減小,為了原位觀察Zn在液流電池中的沉積,利用原位原子力顯微鏡(AFM)觀察了在變化的電解液濃度下,Zn晶體在同一晶面上的復合,其沉積的形貌與之前非原位的結果一致。
值得注意的是,為了保持高庫倫效率(CE >99.5%)和長周期穩定性,根據Zn的形貌演變,作者提出了一個工作臨界濃度范圍(≥0.4 M)和電解液利用率概念。
這一探索性工作將為電化學儲能器件中鋅陽極的進一步研究提供有益的參考。

大化所李先鋒/尹彥斌EES:電解液濃度調節實現高度可逆的鋅沉積!

圖1. (a)-(h)鋅在不同濃度Zn2+溶液中電鍍后的SEM圖像和(i) XRD圖譜。(j)晶面與(102)面平均峰強比

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圖2. 電化學測試

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圖3. 在(a)-(d) 0.5 M和(e)-(h) 0.1 M Zn2+電解液中,以10mA cm?2的電流在HOPG上沉積Zn的原位AFM圖像

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圖4. (a)鋅-溴液流電池在2 M電解液中~100%利用率時的充電曲線。(b) 沉積Zn的橫斷面圖像。(c)濃度下降時Zn沉積示意圖變化
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圖5. 使用不同濃度電解液的電池性能測試
文獻信息

A Highly Reversible Zinc Deposition for Flow Batteries Regulated by Critical Concentration Induced Nucleation. Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00783A.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/ee/d1ee00783a

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