新型电解液让锌电池直面枝晶和腐蚀两大挑战

2021-12-22 16:25:39 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

可充型锌电池是一种新型电化学储能器件，比锂电池更加安全可靠，成本也更加低廉。但以水作为锌电池电解液溶剂的局限性，严重制约着锌电池产业化的发展。

记者近日从天津大学获悉，该校化工学院先进碳与纳米能源实验室联合清华大学深圳国际研究生院先进能源材料团队和中科院金属所先进炭材料研究部，成功研发出一种与金属锌兼容的低成本新型不可燃含水有机电解液。该电解液有效解决了金属锌负极在水系电解液中的枝晶、腐蚀等难题。相关成果在线发表于国际期刊《自然·可持续性》上。

由水合四氟硼酸锌盐和乙二醇溶剂组成的新型电解液中，乙二醇本身的高沸点以及电解液中组分间的强相互作用，使得该电解液不易挥发和结冰，可以同时耐受酷暑和严寒，大大拓宽了锌电池的应用范围。

水系电解液让锌电池应对

枝晶和腐蚀挑战

如何实现“碳达峰”、“碳中和”目标已成为全球性焦点和议题，加大可再生能源的绿色开发和高效使用已成为全球共识。而大力发展绿色安全的大规模储能技术则是可再生能源充分开发利用的必要技术支撑。

可充型锌电池就是一种颇具前景的绿色安全的储能技术，其采用与锂电池相似的工作原理，利用电解液中锌离子在正负两个电极间的往复穿梭来存储和释放电能。

不过与锂电池采用高度可燃性的有机电解液不同，可充型锌电池主要用水作为电解液溶剂，因此不存在锂电的可燃、易爆等问题，使用更加安全。

“而且由于锌电池的原材料储量丰富，电池装配、储存、运输和维护又相对简单，因此被认为在大规模储能领域具有更加广阔的应用前景，近年来受到了广泛关注。”天津大学化工学院教授杨全红介绍。

但是，作为负极的金属锌在水系电解液中存在着严重的枝晶和腐蚀问题亟待解决。

“所谓枝晶是指充电过程中电解液中的锌离子在锌负极上发生不均匀沉积，从而出现的树枝状金属锌。”杨全红解释，这种枝晶在电池充放电时不断长大，最终会刺穿隔膜与正极接触，从而导致电池因内部短路而失效。腐蚀问题主要是由于金属锌较为活泼，会自发与水发生化学反应，从而持续消耗金属锌负极和电解液，导致电池使用寿命大幅缩短。

“可以说，金属锌负极的枝晶和腐蚀问题严重制约了锌电池的产业化和大规模应用。”杨全红说。

新型电解液由水合四氟硼酸锌盐和乙二醇组成

为了攻克可充型锌电池所面临的这两大难题，项目团队研发出了由水合四氟硼酸锌盐和乙二醇溶剂组成的新型电解液。

以乙二醇代替水作为电解液溶剂，可以大幅抑制金属锌负极的腐蚀问题，同时电解液中的四氟硼酸根阴离子和少量水分子（来自水合四氟硼酸锌盐中的结合水）会与金属锌负极发生反应，在锌负极表面自发形成一种致密且稳定的氟化锌固态电解质界面层，该界面层可以在允许锌离子通过的同时隔绝电解液与锌负极的直接接触，从而进一步抑制了锌枝晶的生成和腐蚀副反应的发生，极大地提升了锌电池的使用寿命。

“虽然乙二醇也是一种易燃的有机溶剂，但是水合四氟硼酸锌盐却是一种被广泛使用的阻燃剂。”杨全红介绍，因此，这种由水合四氟硼酸锌盐和乙二醇组成的电解液依然保持了与水系电解液一样的不可燃性，安全可靠。

不仅如此，乙二醇本身的高沸点以及电解液中组分间的强相互作用，使得该电解液不易挥发和结冰，可以同时耐受酷暑（40℃）和严寒（-30℃），这是目前水系电解液无法企及的，大大拓宽了锌电池的应用范围。

“由于水合四氟硼酸锌盐和乙二醇的工业应用成熟、成本低廉，使得我们研发的新型电解液的成本与目前最便宜的水系电解液相当。”杨全红表示。

该电解液有效解决了金属锌负极在水系电解液中的枝晶、腐蚀等难题，同时巧妙克服了传统有机电解液成本与安全性难以兼顾的瓶颈，为开发新一代兼具高安全、低成本、高性能电池电解液提供了全新的思路，有望推动高性能锌电池的产业化应用。

该研究成果《用于可持续锌电池的不可燃含水有机电解液》于12月2日在线发表在《自然-可持续性》（Nature Sustainability）上，DOI：10.1038/s41893-021-00800-9。天津大学化工学院博士后韩大量、博士生崔长俊为共同第一作者，天津大学化工学院杨全红教授和翁哲教授、清华大学康飞宇教授为共同通讯作者。

《自然-可持续性》同期配发专文评述，认为此工作利用廉价并环境友好的电解液解决了锌电池产业化进程中的几个关键问题，为构建可持续的未来提供了可靠又性价比高的电池解决方案。

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