用于阳极的新型纳米结构合金是朝着能源存储革命迈出的一大步

俄勒冈州立大学工程学院的研究人员开发了一种基于新型纳米结构合金的电池阳极，可以彻底改变储能设备的设计和制造方式。锌和锰基合金进一步打开了大门，可以用更安全、更便宜且资源丰富的海水代替电池电解液中常用的溶剂。

研究结果发表在《自然通讯》上。

俄勒冈州立大学化学工程研究员冯振兴表示：“世界能源需求不断增加，但开发具有高能量密度和长循环寿命的下一代电化学储能系统在技术上仍然具有挑战性。” “使用水基导电溶液作为电解质的水系电池是一种新兴且安全得多的锂离子电池替代品。但水系系统的能量密度相对较低，而且水会与锂发生反应，这进一步阻碍了水性电池的广泛使用。”

电池以化学能的形式储存能量，并通过反应将其转化为为车辆、手机、笔记本电脑和许多其他设备和机器提供动力所需的电能。电池由两个端子(通常由不同材料制成的阳极和阴极)以及隔膜和电解质(一种允许电荷流动的化学介质)组成。

在锂离子电池中，顾名思义，当锂离子在放电期间通过电解质从阳极移动到阴极时，电荷通过锂离子携带，并在充电期间再次返回。

“锂离子电池中的电解质通常溶解在有机溶剂中，有机溶剂易燃，并且经常在高工作电压下分解，”冯说。“因此，显然存在安全问题，包括电极-电解质界面处的锂枝晶生长;这可能会导致电极之间短路。”

树突类似于锂离子电池内生长的小树，可以刺穿隔板，就像从车道裂缝中生长的蓟一样;结果是有害的，有时甚至是不安全的化学反应。

近年来涉及锂离子电池的燃烧事件包括 2013 年停放的波音 787 喷气式飞机起火、2016 年 Galaxy Note 7 智能手机爆炸以及 2019 年特斯拉 Model S 起火。

冯说，水性电池是安全且可扩展的储能的一种有前途的替代品。水性电解质具有成本竞争力、环境友好、能够快速充电和高功率密度以及对误操作的高度容忍。

然而，它们的大规模使用受到输出电压有限和能量密度低的阻碍(能量密度较高的电池可以储存更多的能量，而功率密度较高的电池可以更快地释放大量能量) .

但是俄勒冈州立大学、中佛罗里达大学和休斯顿大学的研究人员设计了一种由三维“锌-M 合金”组成的阳极作为电池阳极——其中 M 指的是锰和其他金属。

“使用具有特殊纳米结构的合金不仅可以通过控制表面反应热力学和反应动力学来抑制枝晶的形成，而且在严酷的电化学条件下数千次循环中也表现出超高的稳定性，”冯说。“使用锌可以转移两倍于锂的电荷，从而提高电池的能量密度。

电风扇(左上角)由建议的锌电池供电;ZIBs 在 0.5C 时的典型充电/放电曲线(右上);用于对锌沉积动力学进行成像的原位显微镜设置(左下);以及锌沉积引起的形态变化(右下)。图片来源：休斯顿大学

“我们还使用海水而不是高纯度去离子水作为电解质测试了我们的水性电池，”他补充道。“我们的工作显示了大规模制造这些电池的商业潜力。”

冯和博士 学生Maoyu Wang 使用X 射线吸收光谱和成像来跟踪阳极在不同操作阶段的原子和化学变化，这证实了3-D 合金在电池中的作用。

“我们的理论和实验研究证明，3-D 合金阳极具有前所未有的界面稳定性，这是通过合金表面上有利的锌扩散通道实现的，”冯说。“这项合作工作中展示的概念可能会为水性和非水性电池的高性能合金阳极的设计带来范式转变，从而彻底改变电池行业。”

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