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鋅電池體系的歷史演化及青島儲能院的研究進展

 

       鋅電池是一類以鋅金屬或鋅氧化物為負極活性材料的儲能體系，在電池發展歷程中有不可磨滅的地位。鋅具有資源豐富、高安全、成本低且多電子轉移機制的優點，這使其體積比容量遠高于鋰。雖然近20年以來鋅電池發展遇到了停滯，但隨著近年來綠色、環保意識的不斷增強及無鉛化的發展趨勢，使鋅電池又迎來了新一輪世界范圍的關注，在低速電動車、規模儲能及特種領域有極大應用前景。然而，時至今日循環壽命短仍是其應用的最大障礙，這也是當前鋅電池的應用仍以一次電池為主的原因。因此，聚焦儲鋅化學關鍵科學問題，切實提升再充電效率是二次鋅電池再次登上歷史舞臺的關鍵。

 

       依托中國科學院青島生物能源與過程研究所建設的青島儲能產業技術研究院（簡稱“青島儲能院”）從鋅電池核心電解質開發及界面設計出發，在長壽命、高穩定鋅二次電池方面取得了重要的研究成果。2016年，青島儲能院利用超高濃鹽包水電解質首次實現了2.35 V的高電壓鋅二次電池新體系（Electrochem. Commun. 2016, 6, 69）。2017年，青島儲能院創新性地以低溫修復策略進一步解決了鋅負極-電解液界面浸潤性的問題，為鋅電池在航空航天、深海低溫等惡劣條件下的應用提供了有力的技術支撐（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 7871；授權專利：201611224300.3）。

 

       2018年至今，青島儲能院開發了一系列低共熔體鋅基電解質體系，其溶劑化結構、物化性質、離子傳輸行為高度可調（Nat. Commun. 2019, 10, 5374；Nano Energy 2019, 57, 625；Electrochim. Acta 2018, 280, 108；授權專利：201710979639.2）。重要的是，首次在鋅負極表面成功構筑了原位固態電解質層（SEI），深化了多價金屬界面離子界面傳輸層的傳統認知。受到電鍍行業“光亮劑”的啟發，青島儲能院進而提出了酰胺聚合物的修飾策略，在傳統水系電解質中從副反應抑制及均勻沉積兩方面對鋅負極進行精準調控，循環壽命超過 8000 h（Energy Environ. Sci. 2019, 12, 1938；專利：201910240468.0）。基于前期研究進展，團隊深刻分析了存在的關鍵問題，尤其在負極可逆性差及失效機理方面做出了詮釋，并提出了液態/聚合物電解質結構設計的有益策略，為鋅二次電池發展方向和應用拓展提供了建設性方案（NPG Asia Mater. 2019, DOI: 10.1038/s41427-019-0167-1）。

 

       上述研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃、兩所融合基金、中科院青促會等的支持。