普通的蔗糖是缓解锌水电池安全隐患的关键

　　

   

   

图:研究人员设计了一种蔗糖改性的水电解质，在电场作用下提高了锌离子的迁移率，成功地实现了无枝晶锌电池，而不影响电化学性能。    

资料来源:清华大学纳米研究中心

由于其低成本和环保，水锌电池有可能在未来的能源存储系统中发挥重要作用，如电网等应用。然而，安全问题延缓了这项新兴技术的发展。

 7月28日中国研究人员提出了一种解决方案，通过对普通蔗糖进行化学修饰来稳定锌离子环境，确保未来的应用安全。

从电动汽车到风能和太阳能发电系统，日益多样化的耗电应用继续推动对大规模、低成本能源存储的需求。根据这项研究，水锌电池作为可持续满足需求的更有前途的选择之一迅速上升到顶部。

论文作者、中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学副教授刘美南表示:“与目前使用可燃有机电解质的锂离子电池相比，它们具有更高的安全性和成本效益。”“此外，锌阳极具有超高的理论容量，这使得锌电池在未来电网储能等领域的应用前景更加广阔。”

然而，当锌离子(Zn^{2 +})在阳极表面的浓度下降到零，枝晶开始生长。锌枝晶的不受控生长会降低电化学性能，严重威胁安全运行。

“这些枝晶会穿透隔膜，导致电池短路，”刘说。

过去的研究表明，调节溶剂环境(称为“溶剂化结构”)可以增加锌的流动性^{2 +}响应电场成功抑制了枝晶的生长。问题是，之前的这些调整——比如引入其他盐或加入更少的水分子——最终也会降低体系的离子电导率。

对锌的认识存在根本性的差异^{2 +}溶剂化结构及其流动性，由Liu解释。这是影响锌阳极枝晶生长和稳定性的关键因素。

为了弥补这一差距，一个来自多个中国机构的合作研究团队尝试了一种新方法:将含有多个羟基(一个氢和一个氧结合在一起)的普通蔗糖引入电解液，以调整锌的溶剂化结构^{2 +}．

通过进行原子模拟和实验，研究团队证实，蔗糖分子增强了流动性，并在不影响稳定性的情况下阻止了树突生长。事实上，这种方法也带来了意想不到的好处:

“研究结果证实，在溶剂化鞘中的蔗糖分子不仅增强了流动性，确保快速锌^{2 +}动力学，但也保护锌阳极免受水腐蚀，并成功实现无锌枝晶沉积和抑制副反应，”刘说。

这表明了这种简单的蔗糖改性在未来高性能锌电池中的巨大潜力，使该研究领域向实现安全、绿色、高性能锌电池的最终目标迈进了一步。

“希望这种安全、低成本的锌电池可以应用于电网能源存储，”刘说。

这项技术还可以进行更多的变化和修改:锌碳电池提供更高的能量密度和更好的稳定性，这表明蔗糖改性电解质在未来锌电池中有很大的应用潜力。

在未来的研究中，研究人员还将考虑水锌电池可能的使用案例和障碍，特别是如何应对极端温度。

“锌电池的水电解质会在低温下结冰，所以我们正在研究如何解决温度对电池性能的影响，”刘说。