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上海交大畢業(yè)生Science文章：電池負(fù)極中的金屬可逆外延生長電沉積
時(shí)間:2019-11-03 16:24來源:上海交通大學(xué) 作者:綜合報(bào)道
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隨著能源問題的日益緊迫，人類亟需構(gòu)建以可再生能源為主導(dǎo)的新的能源結(jié)構(gòu)。在新能源儲(chǔ)存方面，可充電的金屬負(fù)極電池是一個(gè)嶄新的發(fā)展方向。這類金屬電極在能量密度方面具有顯著的優(yōu)勢，卻無法控制電池充電時(shí)金屬的生長方式。為了解決這一問題， 材料學(xué)院17屆本科畢業(yè)生鄭景旭引入了外延生長（epitaxy）的概念來調(diào)控金屬的沉積形貌，以鋅金屬負(fù)極為示例，使得鋅沉積/溶解的可逆性達(dá)到了99.9%，循環(huán)壽命達(dá)到了傳統(tǒng)鋅電極的100倍。
文章已在SCIENCE雜志上發(fā)表，鄭景旭為第一作者。題為： “ Reversible epitaxial electrodeposition of metals in battery anodes ”。
新型儲(chǔ)能與可充電金屬負(fù)極電池
目前能源是人類社會(huì)面臨的關(guān)鍵問題之一，傳統(tǒng)化石能源被不斷消耗。有研究指出，石油資源將在未來約30年內(nèi)枯竭，我們急需開發(fā)相關(guān)的科技，構(gòu)建以可再生能源為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)。然而，不少可再生能源的收集是間斷的，如太陽能和風(fēng)能，到了夜間或無風(fēng)之日則無法收集。因此，還需要可靠的儲(chǔ)能技術(shù)，將收集到的可再生能源以電化學(xué)的形式儲(chǔ)存起來，以便在任何我們需要的時(shí)候進(jìn)行利用。
可充電的金屬負(fù)極電池是一個(gè)比較新的概念，相比于商用的嵌入式負(fù)極，這類金屬電極的最大優(yōu)勢是在于能量密度高，但問題是，在電池充電時(shí)，金屬會(huì)以不可控的方式生長，也就是我們通常說的“枝晶”。這是很危險(xiǎn)的，因?yàn)檫@種生長方式會(huì)讓金屬刺穿隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極直接連接，發(fā)生短路——輕則電池失效，重則發(fā)生火 災(zāi)。
外延生長調(diào)控金屬電沉積形貌
這篇文章中，鄭景旭及同事引入了外延生長（epitaxy）的概念來調(diào)控金屬的沉積形貌。其靈感很大部分來源于在上海交通大學(xué)本科階段的研究。期間，他經(jīng)常利用透射電鏡觀察金屬材料中的各種共格界面，這些界面是在冶金的過程中形成的，使得某一相（secondary phase）和基體（matrix）具有某種特定的位向關(guān)系。事實(shí)上，這種關(guān)系也可以在電化學(xué)沉積中實(shí)現(xiàn)。于是，他利用暴露特定晶面的基底（substrate），通過這種共格界面外延生長的方式，在原子級別調(diào)控金屬的電化學(xué)沉積，從而獲得了非常規(guī)律、平整的金屬沉積形貌。
文章以鋅金屬負(fù)極為示例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鋅沉積/溶解的可逆性達(dá)到了99.9%，循環(huán)壽命是傳統(tǒng)鋅電極的100倍。
未來應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
可充電的金屬負(fù)極電池是一個(gè)極富潛力的領(lǐng)域。針對自己的工作，鄭景旭也做好了一些未來的設(shè)想。第一，在電池領(lǐng)域，他的這種方法可以拓展到所有利用金屬電極的電池體系中，例如鋰金屬、鋁金屬等等——這將給電池的能量密度和壽命帶來非常大的實(shí)質(zhì)性的提升，提升程度甚至可能是數(shù)量級的。第二，在催化領(lǐng)域，能夠在原子的層面調(diào)控金屬的沉積形貌。這是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的技術(shù)。雖然在文章中，他們主要以電池作了示范，但目前，鄭景旭也在持續(xù)努力，開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)在電催化方面的應(yīng)用。
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