水系锌溴电池具有低成本、高安全性、环境友好和长循环寿命等优点，被视为后锂时代最具潜力的大规模储能电池技术之一。然而，传统的锌溴电池主要以液流体系为主，其存在溴正极的易扩散交叉污染锌负极，使用离子交换膜造成电池成本较高等问题。静态锌溴电池可有效的避免溴正极的扩散并避免离子交换膜的使用，从而降低电池的成本并延长其使用寿命。此外，目前锌电池的研究主要集中在电极方面的科学问题，对大容量软包电池的报道较少。因此，探索大容量软包锌溴电池的电化学性能并评估其实际能量密度是推动水系锌电池实用化进程的重要一步。鉴于此，中国科学技术大学陈维教授团队设计了一款静态锌溴软包电池，通过季铵盐作为电解液动态稳定剂同时调控了固相溴正极和锌负极。结果显示，锌溴软包电池获得了76 Wh/kg的能量密度，并可在100%的放电深度下稳定运行超过3400 小时。在电解液动态稳定剂的调控下，无锌负极可在100 mAh/cm2的面容量下稳定锌沉积/溶解超过400小时，并在10 mAh/cm2的面容量下稳定运行超过1500小时。固相溴正极最高获得了40 mAh/cm2的面容量，并可在15 mAh/cm2的面容量下稳定循环超过1200圈。该款静态锌溴电池的设计将会推动水系锌电池的实用化进程。该论文以“A practical zinc-bromine pouch cell enabled by
electrolyte dynamic stabilizer”为题，在国际期刊Materials Today上发表，中国科学技术大学博士毕业生(现河南工业大学青年教师)郑新华博士为本文的第一作者，中科大陈维教授为本文的通讯作者。 图1. 锌溴软包电池的储能机理和电化学性能
(a) 锌溴软包电池的示意图。(b) 锌溴软包电池在电流密度为 5 mA时的放电曲线，插图为软包电池的数码照片。(c) 容量为400 mAh 的锌溴软包电池在 20 ~ 300 mA 电流下的放电曲线。(d) 容量为 400 mAh 的锌溴软包电池在 100% DoD下的循环性能。(e) 容量为 400 mAh 的锌溴软包电池在 25% DoD下的循环性能。(f) 三支锌溴软包电池串联后点亮 4.8 V LED 的数码照片。(g) 静态锌溴电池与目前商业化成熟的电池性能对比。
图2. 锌溴软包电池在充放电过程中电解液的离子浓度和电极上电流密度变化规律(a) Br- 的浓度变化规律；(b) Zn2+ 的浓度变化规律。(c)电极的电流密度分布规律。
(a) 锌离子在纯锌盐电解液中的沉积过程示意图。(b) 锌离子在含有动态稳定剂电解液中的沉积过程示意图。(c) 锌原子和动态稳定剂阳离子在锌电极表面的吸附能。(d)和(e)为电极在不同电解液体系中的电流密度变化规律：(c)不含动态稳定剂；(d)含有动态稳定剂。
图4. 锌的沉积形貌及半对称电池的电化学性能
(a)和(b)分别为锌在不同电解液中沉积不同面容量下的形貌：(a) 不含动态稳定剂；(b)含有动态稳定剂。(c) 锌半对称电池在10 mAh/cm2面容量下的循环性能。(d) 锌半对称电池在10 mAh/cm2面容量下的倍率性能。(e) 锌半对称电池在100 mAh/cm2面容量下的循环性能。图5. 电解液动态稳定剂原位调控固相溴正极的机理及其电化学性能(a) 动态稳定剂稳定溴正极的示意图。(b) 锌溴电池在15 mAh cm-2的面积容量下，经过5次循环后电解液的数码照片。(c)锌溴电池在15
mAh cm-2面容量下的放电曲线。(d) 锌溴电池在15
mAh cm-2的面积容量下的循环性能。(e)，(f)和(g)分别为初始状态下(e)，在动态稳定剂作用下循环5次后(f)，和不使用动态稳定剂循环5次后的正极形貌。(h)电解液动态稳定剂调控下锌溴电池在15
mAh/cm2面容量下的倍率性能。(i) 电解液动态稳定剂调控下锌溴电池在不同面积容量下的放电曲线。
作者开发了一种电解液动态稳定剂，其可以同时稳定溴正极和锌负极，从而提高了锌溴软包电池的整体性能。对于锌负极，动态稳定剂更倾向于吸附在初始的Zn核上，从而诱导均匀的Zn成核和沉积，以实现高面容量，如锌负极获得了10 mAh/cm2面容量下的1500次循环和100 mAh cm-2面容量下的400次循环。对于溴正极，动态稳定剂可以快速与产生的Br2络合，并将生成的固相修正极固定在集流体上，从而避免其扩散，提高了电池的循环稳定性。溴正极获得了40 mAh cm-2的高面积容量，并且可以在15 mAh cm-2下稳定循环1200次。更重要的是，具有Ah级容量的锌溴软包电池显示出76 Wh kg-1的实际能量密度，可以在100%DoD下稳定运行3400多小时。该款电池的成功开发将推动实用性锌电池的进程。A practical zinc-bromine pouch cell enabled by
electrolyte dynamic stabilizer
Xinhua Zheng,
Ruihao Luo, Zaichun Liu, Mingming Wang, Muhammad Sajid, Zehui Xie, Jifei Sun,
Kui Xu, Li Song, Yuan Yuan, Taoli Jiang, Shuang Liu, Na Chen, Wei Chen*
Materials Today
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.09.015
通讯作者简介：陈维，中国科学技术大学应用化学系教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来，作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Nature Communications, Joule, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials 等国际期刊发表学术论文80余篇，论文总被引14000余次，H因子58。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利20余项。担任Materials Today Energy编委，eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances等杂志青年编委。陈维课题组网页：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1水系储能 Aqueous Energy Storage 声明![]()
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