有朝一日无负极锌电池可以储存可再生能源

诸平

Credit: American Chemical Society

风能和太阳能等可再生能源有助于减少世界对化石燃料的依赖，同时减少温室气体排放。但首先，电力公司需要一种安全、划算的方式来储存能源，以备日后使用。大量的锂离子电池可以完成这项工作，但它们存在安全问题，而且锂资源可用性有限。据美国化学会（American Chemical Society）2021年1月20日（当地时间）提供的消息，由美国和沙特阿拉伯研究人员组成的研究团队，在美国化学会（ACS）主办的《纳米快报》(Nano Letters)杂志上发表了他们的最新研究成果，报道了他们使用成本低廉、天然丰富的材料，已经制作出一种无负极、锌基电池（anode-free, zinc-based battery）的原型——Yunpei Zhu, Yi Cui, Husam N. Alshareef. An Anode-Free Zn–MnO₂ Battery. Nano Letters. January 20, 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04519.https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04519

水性锌基电池（Aqueous Zn-based batteries）因其低廉的成本和高的理论容量而受到人们的青睐。然而，目前开发的锌基电池利用过量的锌(即厚锌金属负极)，降低了整个电池的能量密度。美国和沙特阿拉伯的研究人员他们在上述文章中论述了一种无负极设计(即零过量锌)，这是通过使用一种纳米碳成核层（nanocarbon nucleation layer）实现的。电化学研究表明，这种设计允许均匀的锌电沉积，在一定电流密度和镀容量范围内具有高效率和稳定性。使用这种无负极配置，他们展示了一个Zn-MnO₂电池原型，在80次循环后显示68.2%的容量保留。研究者指出，他们的无负极设计为在能量存储系统中应用水性锌基电池开辟了新的方向。

参与此项研究的有来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology 简称KAUST, Saudi Arabia）和美国斯坦福大学（Stanford University）、斯坦福直线加速器中心国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的研究人员。

由于其安全性和高能量密度，水性锌基电池曾被用于电网储能。此外，用于制造它们的材料自然是丰富的。然而，目前开发的可充电锌电池需要厚锌金属阳极，其中含有大量过量的锌，增加了成本。此外，负极易于形成枝晶状锌金属的晶体突出物，在充电期间沉积在负极上，可导致电池短路。朱云佩（Yunpei Zhu音译）、崔毅（Yi Cui音译）和Husam Alshareef怀疑是否真的需要锌负极。从之前对“无负极”锂金属电池和“无负极”钠金属电池的探索中汲取灵感，研究人员决定制造一种电池，在这种电池中，富锌正极（zinc-rich cathode）是铜集流器（copper current collector）上镀锌的唯一来源。

在他们的电池中，研究人员使用了预先嵌入锌离子的二氧化锰正极（manganese dioxide cathode）、三氟甲烷磺酸锌（zinc trifluoromethanesulfonate）水溶液电解质溶液和铜箔集流器（copper foil current collector）。充电时，金属锌被镀在铜箔上，放电时金属锌被剥离，释放出为电池供电的电子。为了防止枝晶的形成，研究人员在铜集流器上涂了一层碳纳米片。该层促进了镀锌均匀，防止了枝晶形成，提高了镀锌剥离效率。电池效率高、能量密度高、稳定性好，经过80次充放电循环后存储容量仍保持62.8%。研究人员说，无负极电池的设计为在能量存储系统中使用水性锌基电池开辟了新的方向。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

New nanostructured alloy for anode is a big step toward revolutionizing energy storage

Abstract

Aqueous Zn-based batteries are attractive because of the low cost and high theoretical capacity of the Zn metal anode. However, the Zn-based batteries developed so far utilize an excess amount of Zn (i.e., thick Zn metal anode), which decreases the energy density of the whole battery. Herein, we demonstrate an anode-free design (i.e., zero-excess Zn), which is enabled by employing a nanocarbon nucleation layer. Electrochemical studies show that this design allows for uniform Zn electrodeposition with high efficiency and stability over a range of current densities and plating capacities. Using this anode-free configuration, we showcase a Zn–MnO₂ battery prototype, showing 68.2% capacity retention after 80 cycles. Our anode-free design opens a new direction for implementing aqueous Zn-based batteries in energy storage systems.