【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團(tuán)隊(duì)揭示了鋅電沉積過程中的濃度調(diào)節(jié)機(jī)理，為下一代水系鋅基電池的鋅均勻沉積提供了調(diào)控策略。相關(guān)成果于10月23日在國際著名學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》(PNAS)以直投方式(Directsubmission)在線發(fā)表了題為“Revealing the missing puzzle piece of concentration in regulating Zn electrodeposition”的研究論文。
 

　　水系鋅基電池由于具有高能量密度、高安全性和低成本在下一代大規(guī)模儲(chǔ)能中表現(xiàn)出巨大的潛力，但鋅電極的枝晶生長(zhǎng)嚴(yán)重制約了商業(yè)化進(jìn)程。為了實(shí)現(xiàn)均勻且高度可逆的鋅沉積，文獻(xiàn)中報(bào)道了許多策略，例如改變電極結(jié)構(gòu)和比表面積、引入涂層修飾和應(yīng)用添加劑優(yōu)化電解質(zhì)成分等。事實(shí)上，鋅沉積是一個(gè)從液相到固相的晶體析出過程，這與電解質(zhì)中的離子濃度密切相關(guān)。然而，鋅電沉積過程中的離子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)作用機(jī)理缺乏系統(tǒng)而深入的研究。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過電化學(xué)測(cè)試、形態(tài)表征和多尺度模擬揭示了鋅電沉積過程中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，闡明了濃度變化導(dǎo)致的形貌演變過程，并通過弛豫方式驗(yàn)證了濃度調(diào)節(jié)電沉積形貌的有效性和重要性。
 

　　首先，通過分子動(dòng)力學(xué)和有限元模擬揭示了鋅電沉積過程中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。基于單晶銅基體，初期的鋅晶體生長(zhǎng)是受熱力學(xué)控制的外延生長(zhǎng)；隨著電沉積的進(jìn)行，電極電解液界面的離子濃度迅速降低，導(dǎo)致濃差過電位急劇上升，從而超越熱力學(xué)影響，轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力學(xué)控制。
 

圖1 鋅電沉積過程中熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系
 

　　進(jìn)一步，結(jié)合形態(tài)表征和相場(chǎng)模型揭示了鋅電沉積過程中濃度變化導(dǎo)致的形貌演變過程。起初，鋅沉積是由多個(gè)二維片狀組成的層狀結(jié)構(gòu)，不同層數(shù)的二維片導(dǎo)致局部區(qū)域形成凸起和凹陷，而高度差的存在造成鋅電沉積過程中不同位置接觸的離子濃度差異較大，進(jìn)而導(dǎo)致界面生長(zhǎng)速率的差異逐漸加大，加劇了電沉積形態(tài)的高度差，最終導(dǎo)致形態(tài)演變。
 

圖2 濃度變化導(dǎo)致的形貌演變機(jī)理
 

　　最后，通過弛豫的方式驗(yàn)證了濃度在鋅電沉積中的調(diào)節(jié)機(jī)理，并深入分析了影響弛豫時(shí)間的兩個(gè)重要因素，即動(dòng)力學(xué)的電流密度和電池結(jié)構(gòu)的電極間距。研究發(fā)現(xiàn)，弛豫時(shí)間和二者均呈正相關(guān)，并且對(duì)電極距離更敏感，這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)距離輸運(yùn)中緩慢的擴(kuò)散速率更為明顯。
 

圖3 濃度調(diào)節(jié)機(jī)理的概念驗(yàn)證
 

　　談鵬教授團(tuán)隊(duì)基于學(xué)科交叉的思想，將傳質(zhì)、電化學(xué)、力學(xué)等學(xué)科相融合，成功揭示了鋅電沉積過程中的離子濃度作用機(jī)理，為發(fā)生相變的金屬基電池均勻沉積提供了重要指導(dǎo)。
 

　　我校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬為該論文的通訊作者，博士研究生趙忠喜為第一作者。特別感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心和工程與材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心對(duì)本工作形態(tài)表征的支持。
 

　　該研究得到了安徽省自然科學(xué)基金、國家創(chuàng)新人才計(jì)劃青年項(xiàng)目、中國科學(xué)院人才項(xiàng)目和中國科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。(熱科學(xué)和能源工程系)