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圖靈膜的表面條紋、配位銅離子攜手實(shí)現(xiàn)均勻鋅沉積過(guò)程

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部研究員李先鋒團(tuán)隊(duì)在鋅基電池的膜材料研究中取得進(jìn)展。研究人員通過(guò)膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在高面容量、高電流密度條件下的鋅均勻沉積過(guò)程，并對(duì)膜結(jié)構(gòu)調(diào)控鋅沉積過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行了研究和探討。

可再生能源的快速發(fā)展推動(dòng)了以鋅化學(xué)為基礎(chǔ)的高能量密度儲(chǔ)能器件的開(kāi)發(fā)和研究。鋅二次電池具有成本低、安全性高、能量密度高、與水性電解質(zhì)具有良好的相容性等優(yōu)勢(shì)，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。然而，鋅在沉積過(guò)程中容易產(chǎn)生鋅枝晶，在高面容量和高電流密度的工作條件下更嚴(yán)重，影響電池的循環(huán)壽命。

該研究提出了一種具有表面有序波動(dòng)條紋(Turing patterns)的新型聚合物膜(圖靈膜)，能夠?qū)崿F(xiàn)在高面容量、高電流密度下的鋅均勻沉積過(guò)程。在該設(shè)計(jì)中，膜表面條紋的波峰和波谷能夠通過(guò)控制微區(qū)載流子通量，從而有效調(diào)節(jié)Zn(OH)42-的分布，并提供更多的鋅沉積空間。同時(shí)，膜形成過(guò)程中表面配位的銅離子與Zn(OH)42-相互作用，可進(jìn)一步誘導(dǎo)鋅的均勻沉積。結(jié)果表明，在80 mA/cm2的高電流密度下，采用圖靈膜組裝的堿性鋅鐵液流電池可以在160 mAh/cm2的超高面容量條件下穩(wěn)定工作。該研究為高穩(wěn)定鋅基二次電池的開(kāi)發(fā)提供了新思路。

相關(guān)研究成果以Dendrite-Free Zinc-Based Battery with High Areal Capacity via the Region-Induced Deposition Effect of Turing Membrane為題，于近日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(J. Am. Chem. Soc.)上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院電化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”等的支持。