替代电池技术的进展

诸平

Zinc batteries are considered promising alternatives to lithium-ion batteries. (Visualisations: ETH Zurich / Xin Zou)

据瑞士苏黎世联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology Zurich简称ETHZ）2023年4月24日提供的消息，锌电池被认为是锂离子电池的有前途的替代品。但使电池既便宜、高效、耐用、安全又环保并不容易。瑞士、美国以及德国的研究人员合作现已成功地将所有这些特性结合到锌金属电池中（Progress in alternative battery technology）。

世界需要廉价而强大的电池来储存风能或阳光可持续产生的电力，这样我们就可以在需要的时候使用它，即使外面很黑或没有风。为我们的智能手机和电动汽车供电的最常见电池是锂离子电池（lithium-ion batteries）。这些电池非常昂贵，因为全球对锂的需求正在飙升，而且这些电池也非常易燃。

水基锌电池（Water-based Zinc batteries）为这些锂离子电池提供了一种很有前途的替代品。由苏黎世联邦理工学院领导的国际研究团队现在制定了一项战略，为此类锌电池的开发带来关键进展，使其更强大、更安全、更环保。相关研究结果于2023年3月13日已经在《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)杂志网站发表——Dario Gomez Vazquez, Travis P. Pollard, Julian Mars, Ji Mun Yoo, Hans-Georg Steinrück, Sharon E. Bone, Olga V. Safonova, Michael F. Toney, Oleg Borodin, Maria R. Lukatskaya. Creating water-​in-salt-like environment using coordinating anions in non-​concentrated aqueous electrolytes for efficient Zn batteries. Energy & Environmental Science, 2023, DOI: 10.1039/D3EE00205E. First published: 13 March 2023. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EE/D3EE00205E

参与此项研究的有来自瑞士苏黎世联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology Zurich简称ETHZ, Zurich, Switzerland）、美国阿德尔菲DEVCOM陆军研究实验室（DEVCOM Army Research Laboratory, Adelphi, MD, USA）、美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder, Boulder, CO, USA）、美国斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center简称SLAC）国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA, USA）德国帕德伯恩大学（Universitä Paderborn, Paderborn, Germany）以及瑞士保罗谢尔研究所（Paul Scherrer Institute, Villigen PSI, Switzerland）的研究人员。，

耐用性是一个挑战(Durability is a challenge)

锌电池有很多优势：锌储量丰富、价格低廉且回收基础设施成熟。此外，锌电池可以储存大量电能。最重要的是，锌电池不一定需要使用高度易燃的有机溶剂作为电解液，因为它们也可以使用水基电解液来制造。

如果没有工程师在开发这些电池时必须面对的挑战：当锌电池在高压下充电时，电解液中的水会在其中一个电极上发生反应，形成氢气。发生这种情况时，电解液会减少，电池性能也会下降。此外，这种反应会导致电池中产生过大的压力，这可能是危险的。另一个问题是在电池充电过程中会形成尖锐的锌沉积物，称为树枝晶（dendrites），它会刺穿电池，在最坏的情况下甚至会导致短路并使电池无法使用。

盐会使电池有毒(Salts make batteries toxic)

近年来，工程师们一直在寻求用盐来丰富含水液体电解质的策略，以保持尽可能低的水含量。但这也有缺点：它会使电解液变粘，从而大大减慢充电和放电过程。此外，许多使用的盐都含有氟，使它们有毒且对环境有害。

苏黎世联邦理工学院电化学能源系统（Electrochemical Energy Systems at ETH Zurich）教授 玛莉亚·鲁卡兹卡亚（Maria Lukatskaya）现在与美国和瑞士多家研究机构的同事联手，系统地寻找水基锌离子电池的理想盐浓度。通过计算机模拟支持的实验，研究人员能够揭示理想的盐浓度并不像以前假设的那样是最高的，而是相对较低的：每个盐的正离子有 5 到 10 个水分子。

持久的性能和快速充电(Long-lasting performance and fast charging)

更重要的是，研究人员没有使用任何对环境有害的盐来进行改进，而是选择了环保的乙酸盐，称为醋酸盐（acetates）。玛莉亚·鲁卡兹卡亚小组的博士候选人、上述论文的主要作者达里奥·戈美斯·巴斯克斯（Dario Gomez Vazquez）说：“有了理想浓度的醋酸盐，我们能够最大限度地减少电解质的消耗并防止锌树枝晶的产生，就像其他科学家以前使用高浓度有毒盐所做的那样。此外，通过我们的方法，电池可以更快地充电和放电。”

到目前为止，研究人员已经在相对较小的实验室规模上测试了他们的新电池策略。下一步将是扩大这种方法，看看它是否也可以转化为大型电池。理想情况下，这些可能有一天被用作电网中的存储单元以补偿波动，或者在单户住宅的地下室中允许白天产生的太阳能在晚上使用。

正如 ETH 教授玛莉亚·鲁卡兹卡亚解释的那样，在锌电池为市场做好准备之前，仍有一些挑战需要克服：电池由两个电极组成——阳极和阴极——以及它们之间的电解液。她说：“我们表明，通过调整电解质成分，可以实现锌阳极的有效充电。然而，展望未来，还必须优化性能阴极材料，以实现耐用且高效的锌电池。”

本研究得到了瑞士联邦能源办公室和ETH基金会（ReMaP project funded by the Swiss Federal Office of Energy under contract SI/501810-01 and the ETH Foundation）、施密特科学奖学金（Schmidt Science Fellowship）、瑞士保罗·谢勒研究所（Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland）；美国能源部、基础能源科学办公室（U.S. Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences）、美国阿尔贡国家实验室（Argonne National Laboratory under Contract No. DE-AC02-06CH11357）的支持或资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Rechargeable aqueous Zn metal batteries are promising systems for grid storage because of their high energy density, low cost, and non-flammability. However, Zn metal anodes have major limitations due to dendrite formation and concurrent water splitting during charge–discharge cycling. Both processes negatively affect coulombic efficiency (CE) and long-term cycling stability. Water-in-salt (WIS) electrolytes were previously proposed to address these challenges, yielding improvements in the cycling stability of Zn metal anodes. While WIS electrolytes help increase CE, they require high amounts of salt (often toxic) and have dramatically increased viscosity, which in turn limit their transport properties, charge–discharge rates, and usability in advanced Zn batteries. In this manuscript, we propose a strategy for simultaneously achieving high CE (>99%), high rate, low cost and reduced environmental footprint. Specifically, we show that by using coordinating anions like acetate a WIS-like Zn coordination environment can be achieved even in relatively dilute conditions, enabling prolonged cycling of Zn metal anodes. Such electrolytes have an order of magnitude higher conductivity and lower viscosity than traditional WIS electrolytes, thus enabling lower overpotentials and higher rate of Zn plating/stripping.