堿性鋅基液流電池憑借高安全性、高電壓和低成本的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，一直是新型電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。然而，其負(fù)極側(cè)存在鋅離子傳輸緩慢與電化學(xué)反應(yīng)過快之間的動(dòng)力學(xué)失配問題，導(dǎo)致鋅枝晶生長(zhǎng)和不可逆副反應(yīng)，嚴(yán)重限制了電池的循環(huán)壽命和商業(yè)化發(fā)展。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院何雅玲院士、李印實(shí)教授科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“有機(jī)分子差速鎖”的概念，報(bào)道了一種利用 L-絲氨酸(Ser)添加劑來構(gòu)建有機(jī)分子差速鎖的策略。其核心設(shè)計(jì)理念在于將 Ser 作為多功能添加劑部署到負(fù)極電解液中，通過體相和界面的分區(qū)調(diào)控建立一個(gè)鋅離子傳輸和電化學(xué)反應(yīng)平衡的有利化學(xué)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)堿性鋅基液流電池的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定循環(huán)。
通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征相結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)證明了 Ser 在平衡輸運(yùn)-反應(yīng)過程中的關(guān)鍵作用。在體相電解液中，Ser 重塑了鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu)，在提高離子傳輸速率的同時(shí)限制了還原動(dòng)力學(xué)。在電極 / 電解液界面處，Ser 優(yōu)先吸附在電極表面，在誘導(dǎo)界面離子通量均勻化的同時(shí)減緩了鋅沉積動(dòng)力學(xué)。此外，Ser 可錨定在金屬鋅表面形成界面保護(hù)層，抑制了析氫和腐蝕。
循環(huán)測(cè)試結(jié)果表明，含 Ser 的電池在 50 mA?cm-2(30 mAh·cm-2)條件下可穩(wěn)定運(yùn)行超過 230 小時(shí)。該工作揭示了 Ser 在調(diào)控鋅離子體相與界面行為中的多重作用機(jī)制，為開發(fā)高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命堿性鋅基液流電池提供了新策略和理論依據(jù)。
該成果于去年 12 月發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)。何雅玲院士、李印實(shí)教授為論文通訊作者，能動(dòng)學(xué)院博士生種法政為論文第一作者。
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