东方时讯网由俄勒冈州立大学研究人员领导的科学家们开发出一种新型电解质，可将锌电池中锌金属阳极的效率提高到近100%，这是替代锂离子电池用于大规模储能的突破。
该研究是全球持续探索能够在电网上储存可再生太阳能和风能的新型电池化学物质的一部分，以便在没有阳光和风的情况下使用。
俄勒冈州立大学科学学院的Xiulei“David”Ji以及包括HPInc.和GROTTHUSSINC.(俄勒冈州分拆公司)在内的合作机构在NatureSustainability中报告了他们的发现。
“这一突破代表了使锌金属电池更容易为消费者所用的重大进步，”Ji说。“这些电池对于安装额外的太阳能和风电场至关重要。此外，它们还为家庭储能提供安全高效的解决方案，并为易受自然灾害影响的社区提供储能模块。”
电池以化学能的形式储存电能，并通过反应将其转化为电能。电池有许多不同类型，但其中大多数的基本工作方式相同，并且包含相同的基本组件。
每个电池都有两个电极-阳极，电子从这里流出到外部电路，阴极，从外部电路获取电子-以及电解质，将电极分开并允许离子在它们之间流动的化学介质.
依赖于一种安全且储量丰富的金属，锌基电池能量密集，被视为广泛使用的锂离子电池的电网储能的可能替代品，锂离子电池的生产依赖于钴和镍等稀有金属供应的减少。钴和镍也有毒，如果它们从垃圾填埋场渗出，会污染生态系统和水源。
此外，锂离子电池中的电解质通常溶解在易燃有机溶剂中，这些溶剂通常会在高工作电压下分解。其他安全问题包括树突，它类似于电池内生长的小树。它们可以像通过车道裂缝生长的蓟一样刺穿分离器，导致不必要的、有时是不安全的化学反应。
“锌金属电池是大规模储能的主要候选技术之一，”Ji说。“我们的新型混合电解质使用水和普通电池溶剂，不易燃、经济高效且对环境影响小。电解质由廉价氯化物盐的溶解混合物制成，主要成分是氯化锌。”
Ji说，如果电池具有数千次循环的长循环寿命，由锌电池组成的存储设施提供的电力成本只能与化石燃料产生的电力竞争。然而，迄今为止，循环寿命一直受到锌阳极不良可逆性能的限制。
Ji解释说，在充电过程中，电解液中的锌阳离子会获得电子并镀在阳极表面。在放电过程中，电镀阳极通过溶解到电解质中而放弃用于工作负载的电子。
“这种镀锌和溶解过程往往是不可逆转的，”季说。“也就是说，一些用于电镀的电子在放电过程中无法回收。这是库仑效率领域的一个问题。”
库仑效率或CE是衡量电子在电池中传输情况的指标，即从电池提取的总电荷与整个循环中的电荷之比。锂离子电池的CE可以超过99%。
由Ji和包括麻省理工学院、宾夕法尼亚州立大学和加州大学河滨分校的科学家在内的合作者开发的新型电解质，实现了99.95%的CE。
“锌电池的主要挑战是锌与电解质中的水发生反应，在所谓的析氢反应中产生氢气，”Ji说。“这种寄生反应导致循环寿命短，也是一种潜在的安全隐患。”
然而，新电解质限制了水的反应性，并通过在阳极表面形成“钝化层”几乎停止了析氢反应。类似的钝化层使锂离子电池在1990年代实现了最初的商业化。
Ji感谢OSU化学同事ChongFang通过使用飞秒拉曼光谱揭示电解质的原子结构，并感谢加州大学河滨分校的AlexGreaney确定钝化机制。
“此外，值得注意的是，我们测量的效率是在严酷条件下测得的，不会掩盖析氢反应造成的任何损害，”Ji补充道。“这里报道的突破预示着用于大规模电网存储的锌金属电池在不久的将来将商业化。”