新突破！华电田华军教授团队在水系锌离子电池界面材料研究中取得重要进展
目前已经商业化的水系锌电池技术主要是基于碱性水系电解液的镍锌电池和锌锰电池。这类碱性电池主要面向小型电动工具、玩具电源等应用场景。该储能电池应用面向多个应用场景，包括偏远地区的微网、通讯设备、楼宇备用电源等。然而，基于碱性电解液的锌电池受限于锌负极循环寿命短的问题，总体上难以在规模储能中推广应用。
相比于碱性电解液体系电池，基于中性或近中性水系电解液的锌离子电池技术具有理论上更长的锌负极循环寿命。水系锌离子电池因其安全性高、环保性好、成本低等优点，在电子设备和储能系统中受到广泛关注。然而，由于枝晶生长、析氢、固体(金属负极)/液体(电解液)界面金属腐蚀等有害副反应引起的锌负极界面不稳定等问题阻碍了水系锌离子电池大规模应用。近年来，尽管在抑制水系电池材料界面副反应方面已经取得了一定进展，但在双阳离子水系电解液体系下电池的离子存储机制和枝晶形成与抑制机理等仍不清楚。
能源动力与机械工程学院田华军教授团队创新性地解决了水系锌电池枝晶生长、析氢和固/液界面腐蚀等科学问题。该研究工作通过一种低成本、快速、通用的合成技术制备了系列具有功能表面结构的三维锌基合金界面材料，并详细探索了基于双阳离子电解质中锌的沉积/溶解等反应机制。
图为三维结构锌基合金负极低成本制备与原位光学表征技术研究思路示意图
研究结果表明，优化后的三维结构锌基合金负极表面有利于高效调节锌沉积/溶解过程的反应动力学。所开发的界面材料在基于单阳离子和双阳离子的水系电解质体系中能够有效抑制负极表面的枝晶生长，助力实现高安全、长循环、高性能水系锌离子电池。同时，为了深入了解电池反应动力学，研究团队开发并利用了原位光学显微镜研究了低电流密度和高电流密度（高达50 mA cm-2）下三维结构锌基合金负极的形貌演变规律。
与其他报道的方法相比，该制备工艺可以在室温下进行，无需任何煅烧处理，并且还可以在环境友好的水溶液中进行制备，反应时间非常短（几十分钟以内）。这使得该负极改性修饰制备技术在可控成本效益和大规模生产方面制造大型高安全储能电池系统应用中前景广阔。这项系统性研究工作极大地增强了对水系电化学体系中双阳离子插层化学的基本理解，并为探索高性能水系锌离子电池及其他新型储能电池体系提供科学指导。
图为开发的高性能水系锌离子电池电化学性能与电极材料表征图
田华军教授团队一直致力于先进电化学储能材料与器件的研究。自2020年回国组建“先进二次电池储能团队”以来，团队先后围绕应用于电动汽车以及适用于智能电网与局域储能用储能系统的高能量密度、宽温区、长寿命、低成本钠离子电池、高安全固态锂电池、高安全多价金属离子电池储能领域展开系列研究研究，努力攻克面向在安全性、经济性和环境适应性提出更高要求的电网储能电站需求。
针对水系金属离子储能电池电化学稳定性低、宽温域性能差、金属电极腐蚀严重以及水系电池电芯制备技术滞后等关键性问题，团队相继开发了无枝晶、耐腐蚀、长寿命金属负极修饰与改性技术、宽温区海水基水系电解液的设计与添加剂设计与合成技术、基于电网储能电站场景应用的电芯制备技术等，取得了以高安全海水基水系电池、高倍率长循环双阳离子基水系锌电池等为代表的诸多研究成果。
团队历时两年时间，进行了扎实实验和测试分析，研究再获突破。田华军教授带领的“先进二次电池储能团队”在搭建实验平台耗时长、任务紧、团队人员不足等不利情况下，团队成员包括辛燕副教授等连续攻克低成本新型合金材料制备技术、电池器件性能优化工艺、原位表征平台的搭建以及调试等难题。团队首先发现能够通过构建新型合金基负极解决水系锌电池枝晶生长、析氢、界面金属腐蚀等问题。然而电池的性能未能达到预期的目标。但经过团队成员的认真讨论，一致认为该新型负极改性技术具有良好的应用前景，不能放弃。因此，暂时的困难没有能影响团队的研究热情。紧接着，团队又投入了紧张的电池电解液的优化与筛选研究过程，终于获得了高匹配性双阳离子水系电解液，实现了具有超高倍率性能、高循环稳定性、高能量密度的水系锌电池器件，并通过搭建的原位光学表征平台，系统揭示了双阳离子电解液体系下水系锌电池的锌沉积/溶解反应机制。
近日，国际知名学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）杂志发表了田华军教授团队此项研究成果。论文题目为“Three-dimensional Zn-based alloys for dendrite-free aqueous Zn battery in dual-cation electrolytes”，我校为成果完成第一单位，田华军教授为第一作者。该工作为发现新型水系电池电化学、离子存储化学和其他新型电化学体系的开发提供了技术和理论指导。对开发新型水系电池及其他新型储能电池体系有重要意义。
本工作是基于团队发表于2021年《自然·通讯》（Nature Communications，2021, 12, 237）的高性能海水基水系电池新体系后又一次突破性进展，标志着我校在先进电化学储能技术领域取得新的突破。目前，该研究已进入新的阶段，努力在发明专利和工业应用中尝试技术转化。
田华军，华北电力大学能源动力与机械工程学院教授，博士生导师，储能电池材料与应用技术研究所所长，材料科学与工程教研室主任。2021荣获中国新锐科技人物卓越影响奖。田华军教授长期从事单价离子电池，包括全固态锂电池、钠离子电池；多价离子电池，包括高安全性镁、铝、锌离子电池在内的高比能二次新型储能电池研究。在Nature Communication (4篇)，Science Advances等期刊上发表高水平学术文章40余篇，被引超过3000次，申请（或授权）专利12项。所领导的“先进二次电池储能团队”重点开发应用于电动汽车以及适用于智能电网与局域储能用储能系统的高能量密度、宽温区、长寿命、低成本钠离子电池、高安全固态锂电池、高安全多价金属离子电池储能体系。
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来源|能源动力与机械工程学院
供稿人 | 张冬月
初审丨董艺双
复审丨刘馨浓
审核 | 卜叶蕾 张永生 杜小泽
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