【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)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(guò)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(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)科學(xué)院院刊》(PNAS)以直投方式(Directsubmission)在線(xiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程，并通過(guò)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(guò)分子動(dòng)力學(xué)和有限元模擬揭示了鋅電沉積過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中濃度變化導(dǎo)致的形貌演變過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)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(guó)家創(chuàng)新人才計(jì)劃青年項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院人才項(xiàng)目和中國(guó)科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。(熱科學(xué)和能源工程系)
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