近日，河南工業(yè)大學(xué)教授鄭新華和團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了 300 次穩(wěn)定循環(huán)，且比容量始終超過(guò) 170mAh/g。同時(shí)，軟包電池的實(shí)際能量密度達(dá)到了 51Wh/kg，為發(fā)展實(shí)用性鋅錳電池提供了關(guān)鍵支撐。

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此外，他們還發(fā)現(xiàn)了聚醚胺向列空間效應(yīng)，即發(fā)現(xiàn)電解液添加劑可以有效地調(diào)控鋅負(fù)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(yīng)，其可以從鋅負(fù)極的表面跨越到距離電極表面的一定空間內(nèi)，從而對(duì)整合鋅負(fù)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(shí)重塑亥姆霍茲內(nèi)外平面：理論計(jì)算和表征揭示聚醚胺可以高效地吸附在鋅表面，形成一個(gè)缺水和硫酸根離子的亥姆霍茲內(nèi)平面，避免了水相關(guān)副反應(yīng)的發(fā)生；此外，通過(guò)其向列空間效應(yīng)，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(jié)構(gòu)，從而均勻鋅離子的擴(kuò)散。重塑的亥姆霍茲內(nèi)外平面可以有效地抑制鋅負(fù)極的副反應(yīng)，并提高其面容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

目前，儲(chǔ)能市場(chǎng)迫切需要新型的儲(chǔ)能技術(shù)以推動(dòng)未來(lái)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(shì)，有望在未來(lái)的能源市場(chǎng)生大放異彩。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來(lái)其應(yīng)用場(chǎng)景包括但不限于：未來(lái)智能電網(wǎng)中調(diào)頻及削峰填谷的大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用；應(yīng)急場(chǎng)所的儲(chǔ)能裝備；低速電車(chē)市場(chǎng)，包括二輪、三輪、低速四輪車(chē)等；汽車(chē)的啟停電源；高安全需求的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等。

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據(jù)了解，在新一輪的能源革命中，發(fā)展高效的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性是實(shí)現(xiàn)清潔能源高效利用的重要手段，受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。水系鋅電池具有低成本、高安全、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，有望成為“雙碳”目標(biāo)下規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)的優(yōu)選電化學(xué)器件。

然而，鋅負(fù)極的不利反應(yīng)，如鋅枝晶生長(zhǎng)、析氫反應(yīng)、鋅腐蝕和鈍化等，嚴(yán)重阻礙了鋅電池的實(shí)用化進(jìn)程。研究人員開(kāi)發(fā)了系列的鋅負(fù)極界面調(diào)控策略獲得了其電化學(xué)性能的有效提升。

但是，鋅負(fù)極在高面容量下的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性仍不足以支持鋅電池的實(shí)際應(yīng)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(guān)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(kuò)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(gè)水分子配位形成 Zn(H2O)62+ 溶劑化結(jié)構(gòu)，使鋅離子在脫溶劑化和沉積過(guò)程中有較高的反應(yīng)能壘。并且，鋅離子在去溶劑化過(guò)程中的不均勻擴(kuò)散以及 IHP 中大量自由水分子的參與，導(dǎo)致產(chǎn)生了枝晶生長(zhǎng)和與水相關(guān)的副反應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)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(zhǔn)的調(diào)控 HPs 可以有效抑制鋅負(fù)極的不利反應(yīng)，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(jìn)程。

因此，本次課題致力于抑制如上的副反應(yīng)，并盡可能提高鋅負(fù)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(yīng)過(guò)程，所以對(duì)電解液的優(yōu)化設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)鋅負(fù)極性能的極大提高。

研究中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)添加劑的原則是從電極反應(yīng)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(fù)極的沉積/溶解的質(zhì)量，其中包括了內(nèi)層、外層和擴(kuò)散層。如果能夠同時(shí)重塑內(nèi)、外亥姆霍茲平面，有望最大限度的調(diào)控鋅負(fù)極的反應(yīng)，從而提高其電化學(xué)性能。通過(guò)分析添加劑的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)聚醚胺具有獨(dú)特的向列空間效應(yīng)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)、外亥姆霍茲平面的同時(shí)重塑。

在半對(duì)稱電池的設(shè)計(jì)上，目前鋅負(fù)極的研究中常用鋅片/鋅板作為負(fù)極，其不僅造成了活性物質(zhì)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(shí)現(xiàn)了鋅負(fù)極 100% 的利用率。并聚焦在高面容量下的鋅沉積/溶解性能，實(shí)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(shí)。

在全電池性能的探究上，研究團(tuán)隊(duì)選擇了目前常用且廉價(jià)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(shè)計(jì)及其實(shí)用化的初步探索上，課題組認(rèn)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(tuán)隊(duì)將軟包電池的容量擴(kuò)大到 300mAh，探究了其與太陽(yáng)能板的耦合并對(duì)其安全性能進(jìn)行了評(píng)估。

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鄭新華表示：“這項(xiàng)工作是我入職新單位開(kāi)展的第一個(gè)課題，開(kāi)展研究時(shí)確實(shí)困難重重。首先實(shí)驗(yàn)室還沒(méi)有完全安置好，相關(guān)設(shè)備還沒(méi)有到位。很迫切想開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，但是又無(wú)法正常進(jìn)行。起初只能在公共實(shí)驗(yàn)室的老舊設(shè)備上進(jìn)行初步驗(yàn)證，但是收集的數(shù)據(jù)很不理想，無(wú)法正常使用?！?/p>

在那個(gè)階段每天的主要事情就是和供貨商打電話催設(shè)備。后來(lái)設(shè)備終于到位，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始正常運(yùn)行。快速地封裝了一批電池進(jìn)行測(cè)試，由于經(jīng)過(guò)了前期的初步驗(yàn)證，測(cè)試效果非常好，心情也豁然開(kāi)朗，對(duì)本課題對(duì)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(guān)裝配和測(cè)試，這個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了很長(zhǎng)的周期，因?yàn)榧黧w、負(fù)載量、電解液用量、測(cè)試電流等都不能完全參考紐扣電池，需要重新對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行探究找到最佳的參數(shù)。軟包電池的實(shí)驗(yàn)足足花費(fèi)了有將近半年的時(shí)間，最后得出了初步的結(jié)果。雖然不是最理想的，但是研究團(tuán)隊(duì)也在逐步對(duì)其進(jìn)行提升。

日前，相關(guān)論文以《聚醚胺向列相空間效應(yīng)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(guó)家科學(xué)中心能源研究院Jifei Sun教授、河南工業(yè)大學(xué)劉世凱教授以及東南大學(xué)吳宇平教授擔(dān)任共同通訊作者。

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在后續(xù)的工作中，以此次的研究模型為基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)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?yè)?jù)悉，近年來(lái)該團(tuán)隊(duì)主要聚焦在新型儲(chǔ)能電池的開(kāi)發(fā)，及其實(shí)用性的探索?？蒲械淖罱K目標(biāo)是發(fā)展實(shí)用化的產(chǎn)品。針對(duì)發(fā)展實(shí)用化鋅電池中面臨的核心問(wèn)題，下一步工作主要聚焦在水系鋅電池正、負(fù)極材料在高面容量下循環(huán)穩(wěn)定性增強(qiáng)；大容量電池實(shí)際能量密度及其循環(huán)穩(wěn)定性的進(jìn)一步提高；中小型電池電堆的應(yīng)用探索等。

鄭新華補(bǔ)充表示：“做有意義的科研要從關(guān)心社會(huì)、解決實(shí)際問(wèn)題出發(fā)。以發(fā)展實(shí)用化水系鋅電池為例，目前更需要關(guān)注其面臨核心和瓶頸問(wèn)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(yàn)證其在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用，以及如何兼容現(xiàn)有產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)等。這需要行業(yè)相關(guān)人員的共同努力，實(shí)現(xiàn)更可靠、更具經(jīng)濟(jì)性的儲(chǔ)能電池產(chǎn)品，以推動(dòng)能源市場(chǎng)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(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍