近日，河南工業(yè)大學教授鄭新華和團隊打造出一款高性能軟包鋅錳電池，在聚醚胺電解液添加劑的調(diào)控下，軟包鋅錳電池實現(xiàn)了 300 次穩(wěn)定循環(huán)，且比容量始終超過 170mAh/g。同時，軟包電池的實際能量密度達到了 51Wh/kg，為發(fā)展實用性鋅錳電池提供了關鍵支撐。
此外，他們還發(fā)現(xiàn)了聚醚胺向列空間效應，即發(fā)現(xiàn)電解液添加劑可以有效地調(diào)控鋅負極的穩(wěn)定性。該成果中使用的聚醚胺電解液添加劑具有向列空間效應，其可以從鋅負極的表面跨越到距離電極表面的一定空間內(nèi)，從而對整合鋅負極界面發(fā)揮調(diào)控作用。
另外，他們還發(fā)現(xiàn)聚醚胺能夠同時重塑亥姆霍茲內(nèi)外平面：理論計算和表征揭示聚醚胺可以高效地吸附在鋅表面，形成一個缺水和硫酸根離子的亥姆霍茲內(nèi)平面，避免了水相關副反應的發(fā)生；此外，通過其向列空間效應，聚醚胺的分子鏈可以延伸到亥姆霍茲外平面，形成新的溶劑化結構，從而均勻鋅離子的擴散。重塑的亥姆霍茲內(nèi)外平面可以有效地抑制鋅負極的副反應，并提高其面容量和循環(huán)穩(wěn)定性。
目前，儲能市場迫切需要新型的儲能技術以推動未來智能電網(wǎng)的發(fā)展。水系鋅電池具有低成本、高安全、優(yōu)異可逆性及環(huán)境友好等優(yōu)勢，有望在未來的能源市場生大放異彩。
該團隊認為，未來其應用場景包括但不限于：未來智能電網(wǎng)中調(diào)頻及削峰填谷的大規(guī)模儲能應用；應急場所的儲能裝備；低速電車市場，包括二輪、三輪、低速四輪車等；汽車的啟停電源；高安全需求的消費類電子產(chǎn)品等。
據(jù)了解，在新一輪的能源革命中，發(fā)展高效的儲能技術應對風能、太陽能等可再生能源間歇性、隨機性和波動性是實現(xiàn)清潔能源高效利用的重要手段，受到世界各國的廣泛關注。水系鋅電池具有低成本、高安全、壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)勢，有望成為“雙碳”目標下規(guī)模化儲能技術的優(yōu)選電化學器件。
然而，鋅負極的不利反應，如鋅枝晶生長、析氫反應、鋅腐蝕和鈍化等，嚴重阻礙了鋅電池的實用化進程。研究人員開發(fā)了系列的鋅負極界面調(diào)控策略獲得了其電化學性能的有效提升。
但是，鋅負極在高面容量下的長循環(huán)穩(wěn)定性仍不足以支持鋅電池的實際應用。鋅的電鍍/剝離主要發(fā)生在電極/電解液界面，而界面雙電層在其中發(fā)揮著至關重要的作用。雙電層由內(nèi)亥姆霍茲平面（IHP，Inner Helmholtz Plane）、外亥姆霍茲平面和擴散層組成。
在傳統(tǒng)的鋅鹽基水系電解液中，鋅離子通常與六個水分子配位形成 Zn(H2O)62+ 溶劑化結構，使鋅離子在脫溶劑化和沉積過程中有較高的反應能壘。并且，鋅離子在去溶劑化過程中的不均勻擴散以及 IHP 中大量自由水分子的參與，導致產(chǎn)生了枝晶生長和與水相關的副反應。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，鋅的穩(wěn)定沉積和溶解受亥姆霍茲平面成分的影響很大，因此精準的調(diào)控 HPs 可以有效抑制鋅負極的不利反應，提高其高面容量、高利用率下的循環(huán)穩(wěn)定性，從而加速鋅電池的產(chǎn)業(yè)化進程。
因此，本次課題致力于抑制如上的副反應，并盡可能提高鋅負極在高面容量下的循環(huán)穩(wěn)定性。由于電解液始終參與電極反應過程，所以對電解液的優(yōu)化設計有望實現(xiàn)鋅負極性能的極大提高。
研究中，該團隊設計添加劑的原則是從電極反應的基本原理出發(fā)，發(fā)現(xiàn)界面層中的亥姆霍茲平面決定了鋅負極的沉積/溶解的質量，其中包括了內(nèi)層、外層和擴散層。如果能夠同時重塑內(nèi)、外亥姆霍茲平面，有望最大限度的調(diào)控鋅負極的反應，從而提高其電化學性能。通過分析添加劑的結構發(fā)現(xiàn)聚醚胺具有獨特的向列空間效應，有望實現(xiàn)對內(nèi)、外亥姆霍茲平面的同時重塑。
在半對稱電池的設計上，目前鋅負極的研究中常用鋅片/鋅板作為負極，其不僅造成了活性物質利用率低，且作為集流體穩(wěn)定性較差。
該課題組將鍍錫的銅箔作為集流體，實現(xiàn)了鋅負極 100% 的利用率。并聚焦在高面容量下的鋅沉積/溶解性能，實現(xiàn)了最高 50mAh/cm2 的面容量，且在 10mAh/cm2 的面容量下可穩(wěn)定循環(huán) 1500 小時。
在全電池性能的探究上，研究團隊選擇了目前常用且廉價的 MnO2 和 V2O5 作為正極材料裝配了鋅全電池。Zn-V2O5 和 Zn-MnO2 分別獲得了 1000 次和 2000 次的穩(wěn)定循環(huán)，表明了聚醚胺添加劑在全電池中也發(fā)揮了優(yōu)化其性能的作用。
在大容量 Zn-MnO2 軟包電池的設計及其實用化的初步探索上，課題組認為發(fā)展大容量電池才能夠更有力度的聚醚胺添加劑的效果。為此，研究團隊將軟包電池的容量擴大到 300mAh，探究了其與太陽能板的耦合并對其安全性能進行了評估。
鄭新華表示：“這項工作是我入職新單位開展的第一個課題，開展研究時確實困難重重。首先實驗室還沒有完全安置好，相關設備還沒有到位。很迫切想開展實驗，但是又無法正常進行。起初只能在公共實驗室的老舊設備上進行初步驗證，但是收集的數(shù)據(jù)很不理想，無法正常使用。”
在那個階段每天的主要事情就是和供貨商打電話催設備。后來設備終于到位，實驗室開始正常運行?？焖俚胤庋b了一批電池進行測試，由于經(jīng)過了前期的初步驗證，測試效果非常好，心情也豁然開朗，對本課題對后續(xù)的科研也更有信心。
另外，本課題也做了軟包電池的相關裝配和測試，這個實驗經(jīng)歷了很長的周期，因為集流體、負載量、電解液用量、測試電流等都不能完全參考紐扣電池，需要重新對這些參數(shù)進行探究找到最佳的參數(shù)。軟包電池的實驗足足花費了有將近半年的時間，最后得出了初步的結果。雖然不是最理想的，但是研究團隊也在逐步對其進行提升。
日前，相關論文以《聚醚胺向列相空間效應重塑能量鋅電池的內(nèi)/外亥姆霍茲平面》（Polyetheramine Nematic Spatial Effects Reshape the Inner/Outer Helmholtz Planes for Energetic Zinc Batteries）為題發(fā)表在Advanced Functional Materials[1]。
鄭新華是第一作者，合肥綜合性國家科學中心能源研究院Jifei Sun教授、河南工業(yè)大學劉世凱教授以及東南大學吳宇平教授擔任共同通訊作者。
在后續(xù)的工作中，以此次的研究模型為基礎，研究團隊有信心將軟包電池的容量做得更大，且循環(huán)穩(wěn)定性更高。
另據(jù)悉，近年來該團隊主要聚焦在新型儲能電池的開發(fā)，及其實用性的探索?？蒲械淖罱K目標是發(fā)展實用化的產(chǎn)品。針對發(fā)展實用化鋅電池中面臨的核心問題，下一步工作主要聚焦在水系鋅電池正、負極材料在高面容量下循環(huán)穩(wěn)定性增強；大容量電池實際能量密度及其循環(huán)穩(wěn)定性的進一步提高；中小型電池電堆的應用探索等。
鄭新華補充表示：“做有意義的科研要從關心社會、解決實際問題出發(fā)。以發(fā)展實用化水系鋅電池為例，目前更需要關注其面臨核心和瓶頸問題：例如如何制造出可用的產(chǎn)品、提高其能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性、驗證其在實際場景中的應用，以及如何兼容現(xiàn)有產(chǎn)線實現(xiàn)批量生產(chǎn)等。這需要行業(yè)相關人員的共同努力，實現(xiàn)更可靠、更具經(jīng)濟性的儲能電池產(chǎn)品，以推動能源市場的革新。”
參考資料：
1.Zheng, X., Han, B., Sun, J., Lu, P., Liang, X., Wu, S., ... & Wu, Y. (2025). Polyetheramine Nematic Spatial Effects Reshape the Inner/Outer Helmholtz Planes for Energetic Zinc Batteries.Advanced Functional Materials, 2420434.
運營/排版：何晨龍
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