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上海交大畢業(yè)生Science文章:電池負極中的金屬可逆外延生長電沉積

時間:2019-11-03 16:24來源:上海交通大學(xué) 作者:綜合報道
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       隨著能源問題的日益緊迫,人類亟需構(gòu)建以可再生能源為主導(dǎo)的新的能源結(jié)構(gòu)。在新能源儲存方面,可充電的金屬負極電池是一個嶄新的發(fā)展方向。這類金屬電極在能量密度方面具有顯著的優(yōu)勢,卻無法控制電池充電時金屬的生長方式。為了解決這一問題, 材料學(xué)院17屆本科畢業(yè)生鄭景旭引入了外延生長(epitaxy)的概念來調(diào)控金屬的沉積形貌,以鋅金屬負極為示例,使得鋅沉積/溶解的可逆性達到了99.9%,循環(huán)壽命達到了傳統(tǒng)鋅電極的100倍。
 
       文章已在SCIENCE雜志上發(fā)表,鄭景旭為第一作者。題為: “ Reversible epitaxial electrodeposition of metals in battery anodes ”。
 
 
       新型儲能與可充電金屬負極電池
 
       目前能源是人類社會面臨的關(guān)鍵問題之一,傳統(tǒng)化石能源被不斷消耗。有研究指出,石油資源將在未來約30年內(nèi)枯竭,我們急需開發(fā)相關(guān)的科技,構(gòu)建以可再生能源為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)。然而,不少可再生能源的收集是間斷的,如太陽能和風(fēng)能,到了夜間或無風(fēng)之日則無法收集。因此,還需要可靠的儲能技術(shù),將收集到的可再生能源以電化學(xué)的形式儲存起來,以便在任何我們需要的時候進行利用。
 
       可充電的金屬負極電池是一個比較新的概念,相比于商用的嵌入式負極,這類金屬電極的最大優(yōu)勢是在于能量密度高,但問題是,在電池充電時,金屬會以不可控的方式生長,也就是我們通常說的“枝晶”。這是很危險的,因為這種生長方式會讓金屬刺穿隔膜,導(dǎo)致正負極直接連接,發(fā)生短路——輕則電池失效,重則發(fā)生火 災(zāi)。
       外延生長調(diào)控金屬電沉積形貌
 
       這篇文章中,鄭景旭及同事引入了外延生長(epitaxy)的概念來調(diào)控金屬的沉積形貌。其靈感很大部分來源于在上海交通大學(xué)本科階段的研究。期間,他經(jīng)常利用透射電鏡觀察金屬材料中的各種共格界面,這些界面是在冶金的過程中形成的,使得某一相(secondary phase)和基體(matrix)具有某種特定的位向關(guān)系。事實上,這種關(guān)系也可以在電化學(xué)沉積中實現(xiàn)。于是,他利用暴露特定晶面的基底(substrate),通過這種共格界面外延生長的方式,在原子級別調(diào)控金屬的電化學(xué)沉積,從而獲得了非常規(guī)律、平整的金屬沉積形貌。
 
       文章以鋅金屬負極為示例,實驗結(jié)果顯示,鋅沉積/溶解的可逆性達到了99.9%,循環(huán)壽命是傳統(tǒng)鋅電極的100倍。
       未來應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
 
       可充電的金屬負極電池是一個極富潛力的領(lǐng)域。針對自己的工作,鄭景旭也做好了一些未來的設(shè)想。第一,在電池領(lǐng)域,他的這種方法可以拓展到所有利用金屬電極的電池體系中,例如鋰金屬、鋁金屬等等——這將給電池的能量密度和壽命帶來非常大的實質(zhì)性的提升,提升程度甚至可能是數(shù)量級的。第二,在催化領(lǐng)域,能夠在原子的層面調(diào)控金屬的沉積形貌。這是一項基礎(chǔ)性的技術(shù)。雖然在文章中,他們主要以電池作了示范,但目前,鄭景旭也在持續(xù)努力,開發(fā)這項技術(shù)在電催化方面的應(yīng)用。
   
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 電池 電池負極
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