俄勒岡州立大學(xué)工程學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種由新型納米合金制備的負(fù)極材料，這種納米合金可能會(huì)顛覆儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造方式。這種以鋅和錳為主的合金，為更安全、更廉價(jià)、且儲(chǔ)量豐富的物質(zhì)——海水取代電池電解液中常用的溶劑奠定了基礎(chǔ)。該研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。

鋰離子電池中的電解質(zhì)通常溶解在有機(jī)溶劑中，這些溶劑易燃，在高電壓下通常會(huì)分解，明顯存在安全隱患，其中還包括在電極-電解液界面形成的鋰枝晶，會(huì)導(dǎo)致短路。

水性電池可以作為安全、大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備的替代品。水電解液成本低、環(huán)境友好、充電快且功率密度高、容錯(cuò)能力強(qiáng)。但輸出電壓有限，且能量密度低(高能量密度電池儲(chǔ)能更多，而高功率密度電池放電更快)，妨礙其大規(guī)模利用。

俄勒岡州立大學(xué)、中佛羅里達(dá)大學(xué)和休斯頓大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種用三維“鋅-M合金”構(gòu)成的負(fù)極作為電池負(fù)極(其中M代表錳和其他金屬)。利用合金的特殊納米結(jié)構(gòu)，來(lái)控制表面反應(yīng)熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，不僅抑制了金屬枝晶的形成，而且在惡劣的電化學(xué)反應(yīng)條件下，顯示出超高的穩(wěn)定性，充電、放電循環(huán)超過(guò)數(shù)千次。鋅離子的電荷傳輸量是鋰的一倍，因此電池能量密度提高。研究采用海水代替高純?nèi)ルx子水作為電解液，對(duì)水性電池進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，這種電池具備大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。

研究人員利用X射線吸收光譜和成像技術(shù)，在不同操作階段跟蹤負(fù)極原子及其化學(xué)變化，確認(rèn)3D合金在電池中如何發(fā)揮作用。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，3D合金負(fù)極材料界面極其穩(wěn)定，這是通過(guò)鋅在合金表面的良好擴(kuò)散通道實(shí)現(xiàn)的。研究人員稱，這項(xiàng)合作研究所展示的概念很可能會(huì)為水性和非水性電池高性能負(fù)極材料的設(shè)計(jì)帶來(lái)根本性的轉(zhuǎn)變。