近日，中科院大連化物所報(bào)道了一種新型的、長壽命、可自恢復(fù)的鋅碘液流電池技術(shù)。這種能“起死回生”的神奇電池有望用作大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，解決目前風(fēng)能、太陽能等發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控的難題，實(shí)現(xiàn)清潔能源高效利用。今天，小編將為大家揭開這神奇電池背后的秘密。

枝晶問題：電池負(fù)極長出枝椏，然后就短路了

液流電池作為一種新型的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，成為大規(guī)模儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一。鋅碘液流電池采用高比容量、高活性的鋅離子作為負(fù)極活性物質(zhì)，具有高能量密度、高安全性的優(yōu)勢。除高比容量的鋅負(fù)極外，鋅碘液流更選用高比容量、高工作電壓的碘電對做正極活性電對，進(jìn)一步提高了電池整體的能量密度，展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。然而，與其他鋅基電池一樣，鋅負(fù)極的“枝晶問題”是其商業(yè)化發(fā)展道路上的一大難關(guān)。

鋅負(fù)極在不斷充放電過程中，會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的鋅枝晶(圖1)，這種“樹狀結(jié)構(gòu)”的枝晶會(huì)在循環(huán)過程中不斷生長，最終刺穿電池的膜，造成電池的短路，嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命。此外，負(fù)極側(cè)難以避免的析氫問題也影響著電解液的穩(wěn)定性，降低了電池的循環(huán)性能。

所以，抑制鋅枝晶的產(chǎn)生并且提高電解液的穩(wěn)定性是提高鋅基液流電池循環(huán)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高能量密度液流電池實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖1 鋅負(fù)極枝晶的形貌和結(jié)構(gòu)

“長枝椏”問題既然難以抑制，那么就將危害降到最小

可是如何抑制鋅枝晶的問題呢?從加入添加劑來控制晶核的均勻生長，到三維多孔電極來調(diào)控鋅在孔中的均勻沉積，眾多的科研學(xué)者給出了自己的解決方案。

然而，添加劑的加入會(huì)大大增加電池的極化，雖然抑制了鋅枝晶的生長速度，但是在長循環(huán)測試中，最終也難逃電池短路的命運(yùn)。三維多孔電極雖然增加了電極的比表面積，從而增加了內(nèi)部“枝晶”的生長空間，但電極表面的枝晶產(chǎn)生和生長依然難以抑制，最終殊途同歸，電池短路，壽命結(jié)束。

中國有句古話，既來之，則安之。既然鋅枝晶很難被完全抑制，那么更好的解決方案就是將其的危害降到最小?？蒲袑W(xué)者想出了一個(gè)辦法：通過膜結(jié)構(gòu)和電解液的優(yōu)化讓產(chǎn)生的鋅枝晶不能穿過膜;或者將部分已經(jīng)穿過膜的鋅枝晶自動(dòng)消除。
這種新的思路看似反其道而為之，實(shí)際上則是順勢而為，為鋅基電池負(fù)極穩(wěn)定性提高提供了新途徑。

圖2 長壽命可恢復(fù)的鋅碘液流電池技術(shù)示意圖

新電池的優(yōu)點(diǎn)很多，最奇妙的就是活得久還能自己“滿血復(fù)活”

中科院大連化物所儲(chǔ)能技術(shù)研究部的研究者們在這一思路的指導(dǎo)下研發(fā)了上述的長壽命可自恢復(fù)的鋅碘液流電池技術(shù)，通過使用廉價(jià)的聚烯烴多孔膜和高穩(wěn)定性電解液實(shí)現(xiàn)電池的長期循環(huán)以及電池短路后的自恢復(fù)。

鋅碘液流電池在充電過程中，負(fù)極的鋅枝晶會(huì)不斷向前生長，直到刺穿膜生長到正極一側(cè)，造成電池短路;然后，正極氧化態(tài)電解液會(huì)與短路的鋅枝晶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將鋅枝晶慢慢溶解掉，最終，電池的短路消失，性能恢復(fù)正常。

材料廉價(jià)：采用高離子導(dǎo)通性、低成本的聚烯烴多孔膜(15美元/平方米)替代傳統(tǒng)的離子交換膜 (Nafion 115，700美元/平方米)，提高了電池的工作電流密度，同時(shí)大幅降低了電池的成本。

長壽：在充電過程中聚烯烴多孔膜孔徑中充滿了氧化態(tài)的正極電解液，當(dāng)鋅枝晶生長到膜孔內(nèi)部后，氧化態(tài)的電解液可以將鋅枝晶溶解掉，從而防止鋅枝晶造成電池的短路，實(shí)現(xiàn)電池的長壽命循環(huán)。

可自恢復(fù)：即使在高電流密度長時(shí)間充電時(shí)，電池發(fā)生了短路，也可以通過膜孔內(nèi)氧化態(tài)電解液對鋅枝晶的溶解作用實(shí)現(xiàn)電池性能的自恢復(fù)。

功率高、穩(wěn)定：含采用高穩(wěn)定性、高導(dǎo)電率的 ZnBr2 和 KI 的混合溶液替代了傳統(tǒng)的 ZnI2 溶液，進(jìn)一步提高了電池的高功率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單電池在80 mA/cm2下運(yùn)行，能量效率高達(dá)82%，比之前報(bào)道的鋅碘體系提高了8倍，能量密度可達(dá)80 Wh/L;即便是在180 mA/cm2下運(yùn)行，電池的能量效率仍然超過70%。長循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，單電池可以在80 mA/cm2下穩(wěn)定運(yùn)行1000圈以上，時(shí)長超過三個(gè)月。

實(shí)用、可靠：研究團(tuán)隊(duì)將單電池進(jìn)一步放大組裝了千瓦級電堆(圖3)，該電堆可以在80 mA/cm2 下穩(wěn)定運(yùn)行300圈以上，能量效率保持在80%左右。此外，電堆仍然具有短路恢復(fù)的特性，有力的證明了該體系的可靠性和實(shí)用性。

圖3 長壽命可恢復(fù)的鋅碘液流電池電堆及其充放電性能

綜上所述，在研究者們創(chuàng)新性的思考和多方面的實(shí)踐努力下，這種能“起死回生”的神奇電池就誕生啦!科技來源于生活，終將服務(wù)于生活。希望我們能早日在實(shí)際生產(chǎn)生活中見到它，感受它的魅力與神奇。

文章來源：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所