近日，中國海洋大學材料科學與工程學院吳敬一教授團隊聯合美國德州大學奧斯丁分校Guihua Yu教授在下一代二次電池研究領域取得新進展，研究成果分別發表于Nature Communications和Angewandte Chemie International Edition。

將海水電解液與鋅金屬電極配對，因其本質安全、成本極低且水源無限，有望成為海上大儲能最具可持續性的替代方案之一。然而，鑒于海水中存在氯離子和復雜陽離子，要在海水電解液中穩定鋅金屬負極仍面臨巨大挑戰。研究團隊首先揭示了氯離子點蝕會引發負極腐蝕，并加劇枝晶生長，從而導致電池快速失效。然后，研究團隊提出了一種電荷梯度界面策略來調節界面處的離子傳輸，既抑制了氯離子在鋅金屬負極表面的積累，又加速了鋅離子的擴散，從而促進了均勻的鋅沉積，并減輕了腐蝕和副反應，使鋅負極壽命提升40倍。基于海水電解液的鋅離子全電池可實現5 mAh cm-2的面容量，并穩定運行超過500次循環。這項工作為穩定海水電解液系統中的鋅金屬負極以及構建可持續的海水基儲能裝置提供了可行的指導方針。相關創新研究成果“All-natural charge gradient interface for sustainable seawater zinc batteries”（全天然梯度界面實現可持續海水鋅電池）日前發表于《自然-通訊》(Nature Communications)。研究成果的第一完成單位是中國海洋大學材料科學與工程學院，第一作者是學院2022級博士生范文杰。

圖1.海水鋅電應用場景和腐蝕機制示意圖

在固態電池方面，不同于液態電極中電解液的完全滲透，固態電極缺乏快速的離子傳輸通道，表現出低通量固相傳輸特性，導致其電極載量（能量密度）與充電速率（功率密度）遠低于液態電池。基于固態電極中的離子傳輸機制，研究團隊提出了一種低迂曲度的梯度導電電極結構設計，旨在提升離子傳輸效率并平衡離子濃度梯度，從而克服動力學限制。該設計實現了在可實用化電極中的快速充電能力，在3C電流密度下達到3.3 mAh cm-2室溫面容量。這一創新設計為研制高能量/功率密度固態電池提供了一條有前景的途徑。相關創新研究成果“Gradient Design with Low-tortuosity Overcoming Kinetic Limitations in High-Loading Solid-State Cathodes”（低迂曲度梯度電極突破全固態電池動力學限制）日前發表于《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)。研究成果的第一完成單位是中國海洋大學材料科學與工程學院，第一作者是學院2022級博士生程廣增。

圖2.低迂曲度梯度電極制備示意圖和電化學性能比較圖

以上工作得到了山東省泰山學者項目和中央高校基礎科研業務費的支持。

吳敬一教授團隊在新型復合材料的設計及其在下一代二次電池中的應用領域開展了一系列工作。團隊基于金屬單原子的親鋅屬性和電荷極化效應，實現了對負極界面微空間電場的動態調節，為穩定鋅金屬負極提供了一種簡單而高效的策略，相關研究成果“Atomic Zincophilic Sites Regulating Microspace Electric Fields for Dendrite-Free Zinc Anode”（親鋅活性位點調控微空間電場實現無枝晶鋅負極）發表于國際頂尖期刊《先進材料》(Advanced Materials)。團隊基于磁場誘導的方法來控制陶瓷快離子導體納米線在固態正極中的垂直取向，實現了正極內離子的快速傳輸和電池的高能量密度，相關研究成果“Efficient Ion Percolating Network for High-Performance All-Solid-State Cathodes”（高效離子滲透網絡助力高性能全固態正極）發表于國際頂尖期刊《先進材料》(Advanced Materials)。團隊還提出了一種低迂曲度的固態電解質制備策略，使離子在具有垂直離子傳輸通道的固態電解質中快速傳輸，相關研究成果“Composite Solid-State Electrolyte with Vertical Ion Transport Channels for All-Solid-State Lithium Metal Batteries”（具有垂直離子傳輸通道的復合固態電解質用于全固態鋰金屬電池）發表于國際知名期刊《微尺度》（Small）。

吳敬一教授（后排中）課題組合影