大容量、高能量密度的水基锌电池的问世 为大规模储能应用开辟了新的途径

1月10日，电动车之窗从中科大获悉，该校化学与材料科学学院陈伟教授设计了一种稳定的金属/金属-锌合金异质结表层，实现了大面积容量(200mAh/cm2)无锌枝晶的稳定沉积和溶解，锌溴电池能量密度高达274Wh/kg。此外，大容量锌溴电池表现出优异的循环稳定性，电池模块和光伏板的集成显示了其对可再生能源的储存能力。相关研究成果发表在国际期刊《自然通讯》上。

水基锌电池具有成本低、寿命长、安全性高等特点，是下一代大规模储能电池技术最有力的竞争者。但锌电池面临一系列问题，严重影响其产业化进程：1)锌阳极存在枝晶生长、析氢等不可控副反应，限制了电池的循环寿命；2)锌电池的高正负比和低表面容量降低了电池的能量密度；3)缺乏对Ah级大容量电池性能及其在储能系统中应用的研究。

图一。稳定Sb/Sb2Zn3异质结表面锌沉积的机理。锌箔和Sb/Sb2Zn3异质结表面锌沉积示意图；b锌在锌箔和Sb/Sb2Zn3异质结表面的吸附能；锌箔和Sb/Sb2Zn3异质结表面上C和D锌的电荷密度分布：锌沉积过程中e，f锌箔和Sb/Sb2Zn3异质结表面的电流密度分布。

图二。大容量锌溴电池的研究及其在储能中的实际应用。大容量溴化锌电池的结构图；b大容量溴化锌电池实物图；500mAh电池的c循环曲线；d单体容量为1.5Ah的锌溴电池在不同连接形式下的放电曲线；e、f 9Wh(6V，1.5Ah)锌溴电池模块，用于储存可再生能源。

本文设计了一种二维锑/锑锌合金(Sb/Sb2Zn3)异质结表面层来稳定大面积沉积/溶解锌。Sb/Sb2Zn3异质结界面在锌沉积过程中表现出对锌原子的强吸附和均匀的电场分布，从而在200mAh/cm2的超高表面容量下实现了无枝晶锌沉积/溶解(图1)。此外，通过Sb/Sb2Zn3异质结构界面修饰的无锌负极与溴正极结合，组装成无负极的锌溴电池，表现出274Wh/kg的理论能量密度和62Wh/kg的实际能量密度。容量为500 mAh的大容量锌溴电池表现出超过400次的稳定循环。进一步放大到1.5Ah的电池在不同的串并联形式中显示出优异的放电电压和效率。此外，能量为9Wh(6V，1.5Ah)的锌溴电池模块和光伏板的集成显示了实际的可再生能源存储能力(图2)。本文通过设计金属/金属-锌合金异质结界面，获得了一种性能优异的无负极锌溴电池，这将为锌电池在大规模储能方面的应用开辟一条新的途径。