04,03,2026 2Ansichten
Vor kurzem hat das Team von Prof. Zhaopeng der Abteilung für Wärmewissenschaften und Energietechnik der Fachhochschule für Ingenieurwissenschaften der Universität für Wissenschaft und Technologie von China neue Fortschritte im Bereich der Zinkbatterien des Wassersystems erzielt, und das Forschungsteam hat erfolgreich die in situ 3D-pH-Visualisierungstechnologie entwickelt, um die dreidimensionale, in situ und quantitative Bildgebung der pH-Felder der Reaktionsschnittstelle der Zinkelektrode zu realisieren. Die Forschungsergebnisse mit dem Titel "Three-Dimensional Visualization of Chemical Stratification and Pathological Redistribution in Aqueous Zinc Batteries" wurden in der internationalen Fachzeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht.
Wasserzinkbatterien zeigen mit ihren Vorteilen wie Sicherheit, niedrige Kosten und umweltfreundlichkeit ein großes Potenzial für die nächste Generation von Massenspeichern. Allerdings behindert die Schnittstelleninstabilität der metallischen Zinknegative im Wassersystem-Elektrolyt den Kommerzialisierungsprozess erheblich, und Probleme wie das Kristallwachstum, die Nebenreaktion der Wasserstoffanalyse, die Oberflächenpassivation und die Selbstkorrosion sind miteinander gekoppelt, was zu einer weit niedrigeren Lebensdauer der Batterie führt als die theoretischen Erwartungen. Tatsächlich wird dieses Ausfallverhalten durch die lokale chemische Mikroumgebung der Elektrode/Elektrolyt-Schnittstelle und insbesondere die dynamische Entwicklung der Protonenaktivität (d. h. des lokalen pH) kontrolliert. Eine lokal angesäuerte Umgebung induziert leicht chemische Korrosion des aktiven Zinks und verschärft die Wasserstoffreaktion, während die lokale Alkalisierung die Erzeugung von isolierenden Nebenprodukten wie alkalischem Zinksulfat oder Zinkoxid fördert, was zu einer Passivierung der Grenzfläche und einer ungleichmäßigen Ablagerung führt. Der Grenzflächenph ist keine passive Reaktionsvariable, sondern bestimmt direkt die Kernparameter der Selektivität und der Evolutionsrichtung der negativen Zink-Reaktion. Daher ist die Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung von dreidimensionalen Evolutionsprozessen in der chemischen Umgebung der Schnittstelle vor Ort erfassen und ein tiefes Verständnis ihrer Auswirkungen auf die Elektrodenstabilität von großer Bedeutung für die Aufklärung der Ausfallmechanismen von Zinkbatterien im Wassersystem und die Verbesserung der Batterieleistung.
Als Antwort auf die oben genannten Probleme entwarf das Forscherteam ein elektrochemisches Testgerät, das optische Beobachtungen durchführen kann, und führte einen fluoreszierenden pH-Indikator in den Elektrolyten ein, um den Elektrolytbereich in der Nähe der Schnittstelle durch die Laser-Kofokuss-Bildgebungstechnologie schichtweise zu scannen, um eine Echtzeitüberwachung und eine hochpräzise quantitative Rekonstruktion des pH-Feldes der Reaktionsschnittstelle im dreidimensionalen Raum zu ermöglichen.
Mit diesem Werkzeug überwachte das Forscherteam die chemische Umgebung der Zinklektrodenschnittstelle in Echtzeit. Erstens zeigt die dreidimensionale Bildgebung unter stationären Bedingungen eine offensichtliche pH-Schichtung entlang der Schwerkraftrichtung, d. h. der pH-Wert im Bereich unter der Elektrode ist deutlich höher als im oberen Bereich und erreicht bei 600 s einen pH-Differenz von etwa 0,3. Darüber hinaus wurde die in situ-Überwachung unter symmetrischen konstanten Betriebsbedingungen der Zinkbatterie durchgeführt und festgestellt, dass eine hohe pH-Zone unter der Schnittstelle der Elektrolysephase schnell gebildet wird, der vertikale pH-Gradient schnell zunimmt und der pH-Differenz nach oben und unten bei 180 s etwa 0,6 erreicht; Während der nachfolgenden Ablagerungsphase wurde etwas abgeschwächt, blieb aber am Ende des Zyklus über 0,4. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Zinkelektrodenschnittfläche eine stabile vertikale chemische Schichtung bildet, sowohl im Stillstand als auch im elektrochemischen Betrieb.
In Kombination mit einer Multi-Physik-Feld-Simulation zeigte das Team, dass diese chemische Schichtung ein direktes Ergebnis der Regulierung der gravitationskoppelten Materialübertragung ist, und enthüllte einen völlig neuen Mechanismus für die Elektrodenausfälle: die Umverteilung von Wirkstoffen durch chemische Gradienten. Insbesondere beschleunigen die niedrigen pH- und Zn2+-Konzentrationen im oberen Bereich die hydrolystische Korrosion und die Lösungsreaktion, während die hohen pH- und Zn2+-Konzentrationen im unteren Bereich die hydrolystische Korrosion unterdrücken und die Zinkablagerung fördern. Während der Zyklus fortgeht, treibt dieser Unterschied den aktiven Zink entlang der vertikalen Richtung zu einer strukturellen Differenzierung der "oberen Erschöpfung - unteren Anreicherung" und führt zu einem Elektrodenausfall.
Diese Arbeit hat eine dreidimensionale Visualisierung der chemischen Schichtung der Schnittstelle der Wassersystem-Zink-Batterie erfolgreich erreicht und den Mechanismus der Umverteilung von Zink-Elektroden-Wirkstoffen durch chemische Gradienten aufgedeckt, die nicht nur neue Einblicke in den Ausfallmechanismus der Metallnegative in der Wassersystem-Zink-Batterie liefert, sondern auch eine universelle Anleitung für das rationale Design anderer Wassersystem-Metallbatterien bietet.
Die ersten Autoren der Arbeit sind Zhao Zhongxi und Chen Yongtong, die Kommunikationsautoren sind Prof. Bao Peng, die Arbeit wurde vom Nationalen Naturwissenschaftlichen Fonds für junge Studenten Grundlagenforschungsprojekt (523B2061) und dem Nationalen Innovationsprogramm für Jugendliche (GG2090007001) finanziert.
