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鋅(Zn)基液流電池(ZFBs)具有儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好、本質(zhì)安全、理論能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于大規(guī)模固定儲(chǔ)能。以往的研究證實(shí)，由于不同程度的枝晶生長(zhǎng)和沉積物脫落，Zn沉積行為對(duì)電池性能有重要影響，特別是對(duì)庫(kù)倫效率(CE)和循環(huán)穩(wěn)定性。為了避免枝晶的生長(zhǎng)，已經(jīng)提出了許多有效的方法，如陽(yáng)極表面改性、宿主結(jié)構(gòu)優(yōu)化和在電解液中引入添加劑，但是電解液中陽(yáng)離子的濃度對(duì)鋅沉積形貌的影響還沒有被研究。與Zn離子電池不同，在ZFBs的電解液中，Zn²⁺的濃度在鋅沉積/溶解過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的。理解Zn形貌演變與Zn²⁺濃度實(shí)時(shí)變化的關(guān)系對(duì)ZFBs極為重要。

大化所李先鋒/尹彥斌EES：電解液濃度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)高度可逆的鋅沉積！

大連化物所李先鋒研究員和尹彥斌博士（共同通訊）在Energy & Environmental Science發(fā)表文章A Highly Reversible Zinc Deposition for Flow Batteries Regulated by Critical Concentration Induced Nucleation，通過(guò)電解液濃度的調(diào)節(jié)在液流電池中實(shí)現(xiàn)了Zn的高度可逆的沉積和溶解。

本文對(duì)ZFBs中沉積Zn的形態(tài)演變和機(jī)理進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)不同濃度電解液中的Zn沉積形貌的研究，作者發(fā)現(xiàn)致密塊狀Zn的形成受高濃電解質(zhì)(≥0.4 M)中瞬時(shí)形核的控制；在稀電解液(≤0.3 M)中，Zn因漸進(jìn)成核而呈苔蘚狀。同時(shí)，Zn晶體的主導(dǎo)面由(002)變?yōu)?101)。在液流電池中，充電時(shí)，Zn²⁺濃度不斷減小，為了原位觀察Zn在液流電池中的沉積，利用原位原子力顯微鏡(AFM)觀察了在變化的電解液濃度下，Zn晶體在同一晶面上的復(fù)合，其沉積的形貌與之前非原位的結(jié)果一致。

值得注意的是，為了保持高庫(kù)倫效率(CE >99.5%)和長(zhǎng)周期穩(wěn)定性，根據(jù)Zn的形貌演變，作者提出了一個(gè)工作臨界濃度范圍(≥0.4 M)和電解液利用率概念。

這一探索性工作將為電化學(xué)儲(chǔ)能器件中鋅陽(yáng)極的進(jìn)一步研究提供有益的參考。

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圖1. (a)-(h)鋅在不同濃度Zn²⁺溶液中電鍍后的SEM圖像和(i) XRD圖譜。(j)晶面與(102)面平均峰強(qiáng)比

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圖2. 電化學(xué)測(cè)試

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圖3. 在(a)-(d) 0.5 M和(e)-(h) 0.1 M Zn²⁺電解液中，以10mA cm^?2的電流在HOPG上沉積Zn的原位AFM圖像

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圖4. (a)鋅-溴液流電池在2 M電解液中~100%利用率時(shí)的充電曲線。(b) 沉積Zn的橫斷面圖像。(c)濃度下降時(shí)Zn沉積示意圖變化

圖5. 使用不同濃度電解液的電池性能測(cè)試

文獻(xiàn)信息

A Highly Reversible Zinc Deposition for Flow Batteries Regulated by Critical Concentration Induced Nucleation. Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00783A.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/ee/d1ee00783a

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