中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：堿性鋅基液流電池憑借高安全性、高電壓和低成本的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，一直是新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。然而，其負(fù)極側(cè)存在鋅離子傳輸緩慢與電化學(xué)反應(yīng)過(guò)快之間的動(dòng)力學(xué)失配問(wèn)題，導(dǎo)致鋅枝晶生長(zhǎng)和不可逆副反應(yīng)，嚴(yán)重限制了電池的循環(huán)壽命和商業(yè)化發(fā)展?，F(xiàn)有研究聚焦于負(fù)極側(cè)電解質(zhì)添加劑設(shè)計(jì)，通過(guò)提高離子傳輸速率或調(diào)節(jié)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)緩解上述矛盾，但如何實(shí)現(xiàn)二者高效協(xié)同仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。因此，亟需開(kāi)發(fā)能夠精準(zhǔn)調(diào)控離子輸運(yùn)與電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的新型電解質(zhì)添加劑，實(shí)現(xiàn)堿性鋅基液流電池高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命運(yùn)行。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院何雅玲院士、李印實(shí)教授科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“有機(jī)分子差速鎖”的概念，報(bào)道了一種利用L-絲氨酸（Ser）添加劑來(lái)構(gòu)建有機(jī)分子差速鎖的策略。其核心設(shè)計(jì)理念在于將Ser作為多功能添加劑部署到負(fù)極電解液中，通過(guò)體相和界面的分區(qū)調(diào)控建立一個(gè)鋅離子傳輸和電化學(xué)反應(yīng)平衡的有利化學(xué)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)堿性鋅基液流電池的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定循環(huán)。
通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征相結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)證明了Ser在平衡輸運(yùn)-反應(yīng)過(guò)程中的關(guān)鍵作用。在體相電解液中，Ser重塑了鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu)，在提高離子傳輸速率的同時(shí)限制了還原動(dòng)力學(xué)。在電極/電解液界面處，Ser優(yōu)先吸附在電極表面，在誘導(dǎo)界面離子通量均勻化的同時(shí)減緩了鋅沉積動(dòng)力學(xué)。此外，Ser可錨定在金屬鋅表面形成界面保護(hù)層，抑制了析氫和腐蝕。循環(huán)測(cè)試結(jié)果表明，含Ser的電池在50 mA·cm-2（30 mAh·cm-2）條件下可穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)230小時(shí)。該工作揭示了Ser在調(diào)控鋅離子體相與界面行為中的多重作用機(jī)制，為開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命堿性鋅基液流電池提供了新策略和理論依據(jù)。
基于L-絲氨酸添加劑構(gòu)建有機(jī)分子差速鎖的電解液調(diào)控策略
（a）液流電池傳輸與反應(yīng)過(guò)程示意圖；（b）有機(jī)分子差速鎖的設(shè)計(jì)理念；
（c）原始電解液中的鋅枝晶與副反應(yīng)；（d）添加劑對(duì)鋅沉積過(guò)程的調(diào)控作用。
近日，該成果以《有機(jī)分子差速鎖平衡輸運(yùn)-反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命堿性鋅基液流電池》（Organic Molecular Differential Lock Balancing Transport-Reaction Kinetics for Long-Life Alkaline Zinc-Based Flow Batteries）為題，發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。何雅玲院士、李印實(shí)教授為論文通訊作者，能動(dòng)學(xué)院博士生種法政為論文第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。表征及測(cè)試工作得到西安交通大學(xué)國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)（中心）的支持。
