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| 中國海洋大學(xué)在可充電海水電池領(lǐng)域取得新進(jìn)展 |
| http://www.scgc168.com 2025年9月22日 來源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳敬一教授課題組在可充電海水電池研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果分別發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie International Edition（《德國應(yīng)用化學(xué)》）和Advanced Functional Materials（《先進(jìn)功能材料》）。
海水鋅離子電池可為海洋監(jiān)測、深海裝備及沿海可再生能源儲存提供直接、安全的能源供給，在海洋應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢。然而海水電池中富氯/水的負(fù)極-電解液界面，給鋅金屬負(fù)極帶來嚴(yán)重的腐蝕挑戰(zhàn)。針對此挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種含有主客體復(fù)合物添加劑的海水電解液。該電解液以2-巰基苯并噻唑（MBT）作為客體分子，借助環(huán)糊精（CD）主體實(shí)現(xiàn)緩釋控制，有效調(diào)控其在電解液中的含量。氯離子通過橋接效應(yīng)在電極界面構(gòu)筑出致密的MBT屏障，形成貧氯/貧水的局部微環(huán)境，顯著抑制了鋅負(fù)極的腐蝕行為，延長其循環(huán)壽命。實(shí)驗(yàn)表明，鋅負(fù)極在實(shí)際放電深度42.7%的條件下實(shí)現(xiàn)了400小時以上的穩(wěn)定循環(huán)；N/P比為1.92的全電池經(jīng)歷600次循環(huán)后仍保持99%的容量，安時級軟包電池初始放電容量達(dá)1.21Ah，并可穩(wěn)定循環(huán)50圈。該研究為發(fā)展低成本、實(shí)用型海水鋅離子電池提供了新思路。相關(guān)論文以“Chloride-Bridged Compact Interfacial Shielding for Practical Seawater Zinc Batteries”（氯橋接致密界面屏蔽實(shí)現(xiàn)實(shí)用型海水鋅電池）為題發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》，并被評選為“Very Important Paper”，該論文的第一作者是材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級博士生范文杰。
圖1. CD/MBT添加劑抑制腐蝕機(jī)理示意圖和分子動力學(xué)模擬圖
課題組還開發(fā)出一種厚度僅18μm的疏水梯度纖維素隔膜。該隔膜借助疏水梯度結(jié)構(gòu)與表面負(fù)電荷的協(xié)同作用，有效阻隔氯離子滲透并降低界面水活性，不僅為水合鋅離子構(gòu)建了逐步脫溶路徑，促進(jìn)高聚集態(tài)電解質(zhì)的形成以抑制副反應(yīng)，還通過靜電屏蔽效應(yīng)排斥氯離子、均化鋅沉積，進(jìn)一步提升了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。采用該隔膜的鋅負(fù)極在天然海水電解液中實(shí)現(xiàn)了2900小時的長循環(huán)壽命，在50%放電深度下穩(wěn)定運(yùn)行1300小時，所組裝的全電池體積能量密度達(dá)233.1 Wh L⁻¹（N/P=2.3）。該隔膜技術(shù)為海上儲能系統(tǒng)提供了關(guān)鍵材料支撐。相關(guān)成果以“Hydrophobicity Gradient in Ultrathin Cellulose Separators for Durable Seawater-Based Zinc Batteries”（超薄疏水梯度纖維素隔膜實(shí)現(xiàn)長效海水鋅電池）為題發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》，該論文的第一作者是材料科學(xué)與工程學(xué)院2023級博士生董艷瑩。
圖2. 疏水梯度隔膜作用機(jī)制示意圖
此外，課題組提出了一種動態(tài)界面合金化策略，通過可控離子釋放實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)界面調(diào)控。該策略采用氯化亞錫和聚丙烯腈靜電紡絲復(fù)合界面膜，逐步釋放亞錫離子并在負(fù)極表面原位還原形成金屬錫。后續(xù)的鋅沉積促使持續(xù)形成鋅-錫合金，不斷補(bǔ)充親鋅位點(diǎn)，誘導(dǎo)Zn(002)面外延生長。該合金化界面還可加速亞錫離子在局部缺陷區(qū)域的還原，引導(dǎo)鋅優(yōu)先沉積，修復(fù)結(jié)構(gòu)完整性，從而顯著提升負(fù)極的可逆性與穩(wěn)定性。基于該策略的電池可實(shí)現(xiàn)3.5 mAh cm-2的面容量，穩(wěn)定循環(huán)超過1000次。相關(guān)研究以“Dynamic Interfacial Alloying for Highly Reversible Zinc Anodes”（動態(tài)界面合金化構(gòu)筑高可逆鋅負(fù)極）為題發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》，該論文的第一作者是材料科學(xué)與工程學(xué)院2023級博士生王興杰。
圖3. 動態(tài)合金化過程示意圖和電化學(xué)性能比較圖
課題組合影（前排中為吳敬一教授）
中國海洋大學(xué)為以上論文的第一通訊單位，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳敬一教授為通訊作者。研究工作得到了泰山學(xué)者青年專家、中國海洋大學(xué)青年英才啟動經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目資助。
文：范文杰
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