研究人员确定了水基锌电池的理想盐浓度

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一项新的研究揭示了理想的电解质溶液，以确保性能和可靠性的最大平衡。

随着对更高性能和更可靠电池的需求不断增加，许多人正在探索锂离子电池之外的解决方案。

带BMS的包装锂电池。图片由Adobe Stock提供

具体来说，一种引起研究人员兴趣的电池化学物质是水基锌金属电池。在这些电池中，锌金属用作阳极，而水溶液用作电解质。

尽管这种电池化学具有潜力，但在发挥其潜力之前，仍需要克服几个重大的工程挑战。研究人员最近在将这些锌基电池商业化方面取得了重大进展。

在这篇文章中，我们将探讨锌电池的优势、突出的工程挑战以及苏黎世联邦理工学院的新研究。

锌电池的优点

水基锌金属电池作为锂离子电池的潜在替代品而受到关注的原因有很多。

一个主要原因是锌的材料特性使锌金属阳极电池具有极高的理论重量容量和体积容量，分别为~820 mAh g-1 和~5800 mAh cm-3。这些高容量直接转化为锌电池更高的理论存储能力。根据某些研究，锌基电池被认为比相同体积的锂离子电池好十倍。

锌离子电池的构造。图片由Chetan Kumbhar提供

除了锌电池带来的容量提升之外，该技术的另一个主要好处是它的可持续性。锂是一种消耗性资源，也需要极具破坏性的采矿过程才能从地球上获取。另一方面，锌在地球上极为丰富。据估计，锌在全球范围内消耗了 19 亿吨自然资源，大约是锂成本的⅓ 。

锌电池挑战

尽管与锂相比，锌具有许多潜在优势，但在商业化之前必须克服重大的工程挑战。

一个重大挑战是，当锌电池充电到足够高的电压时，电解质溶液中的水会在电极处发生化学反应，从而产生氢气。当发生这种反应时，锌电池会经历对电池运行有危险的压力增加，从而降低这些电池的可靠性。

该反应的另一个影响是电解质失去水分。这会产生更粘稠的电解质溶液，从而显着降低电池的充电和放电时间。

以太坊研究

最近，苏黎世联邦理工学院的研究人员在提高锌离子电池性能和可靠性方面取得了一些进展。

正如他们最近发表的论文所述，研究人员试图确定理想的电解质溶液（即水盐比），以最大限度地减少电解质中不需要的反应。他们的实验使用复杂的 X 射线吸收光谱 (XAS) 和分子动力学 (MD) 计算机程序来模拟不同比率的性能并观察由此产生的性能。

电解质溶液的 XAS 分析作为水阳离子比的函数。图片来自Vazquez 等人。

令人惊讶的是，主要的研究发现是当水与阳离子的比例为 10 比 5 时，性能最佳。在这些结果之前，研究人员认为，为了获得最佳性能，水溶液应该具有最高的水与阳离子比。盐比例可能。

有了这个比例，研究人员观察到一种锌基电池，它可以最大限度地减少电解质的消耗并防止枝晶的形成。由此产生的电池同时提供了大于 99% 的库仑效率、高倍率和更高的可靠性。

根据该论文，研究人员打算通过扩大测试规模来继续这项研究，以查看更大电池的实验结果。凭借他们的新发现，研究人员乐观地认为，他们已经为锌金属水基电池的商业化铺平了道路。