悉尼科技大學(xué)(UTS)與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)近日宣布開(kāi)發(fā)出一種新型鋅離子電池，其充放電循環(huán)壽命較傳統(tǒng)鋅離子電池延長(zhǎng)50%，有望成為鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的更安全、更可持續(xù)替代方案。
電動(dòng)汽車(chē)電池的代表性圖像。 Matti Blume/維基共享資源
鋅離子電池因其低成本、高安全性及環(huán)保特性，被視為大規(guī)模儲(chǔ)能(如電網(wǎng)級(jí)太陽(yáng)能或風(fēng)能存儲(chǔ))的潛在解決方案。然而，傳統(tǒng)鋅離子電池因內(nèi)部組件在反復(fù)充放電過(guò)程中快速退化，導(dǎo)致使用壽命較短。此次研究通過(guò)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破，使新型鋅離子電池實(shí)現(xiàn)5000次充放電循環(huán)后仍保持高容量，顯著提升了其商業(yè)化可行性。
研究團(tuán)隊(duì)在論文中指出，技術(shù)突破的核心在于兩項(xiàng)創(chuàng)新。其一為二維(2D)超晶格材料的應(yīng)用。該材料由多層氧化錳(一種常見(jiàn)電池過(guò)渡金屬氧化物)與石墨烯(超薄碳片)構(gòu)成，通過(guò)原子級(jí)厚度的“三明治”結(jié)構(gòu)形成超晶格。其二為對(duì)“楊-特勒效應(yīng)”(Jahn-Teller Effect)的協(xié)同利用。這一量子現(xiàn)象導(dǎo)致特定原子在特定環(huán)境下發(fā)生形變，形成原子層面的應(yīng)力釋放機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在材料結(jié)構(gòu)中引入該效應(yīng)，使電池在鋅離子反復(fù)插入與移除過(guò)程中能夠承受應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)斷裂。
“這種設(shè)計(jì)相當(dāng)于為電池賦予了‘靈活骨骼’，使其在充放電過(guò)程中能夠彎曲而非斷裂�！毖芯繄F(tuán)隊(duì)解釋稱。通過(guò)上述創(chuàng)新，新型鋅離子電池的陰極材料穩(wěn)定性顯著提升，從而延長(zhǎng)了整體使用壽命。
此外，該電池采用水基電解質(zhì)、低溫制造工藝及無(wú)毒材料，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程并降低了環(huán)境影響。其安全性也優(yōu)于鋰離子電池——鋰離子電池因易燃性存在安全隱患，而鋅離子電池在高溫或過(guò)充條件下不易起火。
研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)：“我們的方法通過(guò)協(xié)同利用楊-特勒效應(yīng)緩解電極材料應(yīng)力，為延長(zhǎng)可充電電池壽命提供了有效策略�！弊罱K成果是一種低成本、高性能且耐用的水系鋅離子電池，其安全性顯著高于依賴鈷、鋰等稀缺金屬的鋰離子電池。
從應(yīng)用前景看，該技術(shù)有望推動(dòng)電網(wǎng)級(jí)可再生能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的普及。由于鋅資源豐富且價(jià)格低廉，新型電池在成本效益上亦具備優(yōu)勢(shì)。
“這項(xiàng)研究為二維材料的應(yīng)變工程開(kāi)辟了新方向�！盪TS主要作者兼通訊作者王國(guó)秀教授表示。目前，研究團(tuán)隊(duì)正與產(chǎn)業(yè)界合作推進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化，目標(biāo)在未來(lái)三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)小規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
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