04,03,2026 2просмотры
Недавно команда профессора Ляо Пэна, факультет тепловых наук и энергетической инженерии, факультет инженерных наук, Китайский университет науки и техники, добилась новых успехов в области цинковых батарей на водном факультете, исследовательская группа успешно разработала технологию визуализации 3D pH на месте, реализовала трехмерную, исходную и количественную визуализацию pH - поля на интерфейсе реакции цинковых электродов. Результаты исследования, озаглавленного « Three - Dimensional Visualization of Chemical Stratificationand Pathological Redistribution in Aqueous Zinc Batteries», были опубликованы в престижном журнале ACS Energy Letters и выбраны в качестве обложки.
Благодаря своим собственным преимуществам, таким как безопасность, низкая стоимость и экологичность, водные цинковые батареи демонстрируют огромный потенциал в крупномасштабном хранении энергии следующего поколения. Тем не менее, неустойчивость интерфейса отрицательного металлического цинка в электролите водной системы серьезно препятствует процессу коммерциализации. Такие проблемы, как рост дендритов, побочные реакции гидролиза, пассивация поверхности и самокоррозия, связаны друг с другом, в результате чего срок службы батареи намного ниже теоретических ожиданий. На самом деле, эти отказы контролируются локальной химической микросредой на границе электрода / электролита, особенно динамической эволюцией протонной активности (т. е. местного pH). Локальное подкисление может вызвать химическую коррозию активного цинка и усилить реакцию гидролиза, в то время как локальное щелочение способствует образованию побочных продуктов изоляции, таких как щелочная сульфат цинка или оксид цинка, что приводит к пассивации и неравномерному осаждению интерфейса. Интерфейс pH - это не переменная пассивной реакции, а основной параметр, который напрямую определяет избирательность и направление эволюции отрицательных реакций цинка. Поэтому разработка методов представления, которые могут захватывать процесс трехмерной эволюции химической среды интерфейса на месте и глубоко понимать его влияние на стабильность электродов, имеет большое значение для выявления механизма отказа цинковых батарей в водной системе и повышения производительности батарей.
В ответ на эти проблемы команда разработала электрохимическое испытательное устройство для оптических наблюдений и ввела флуоресцентный pH - индикатор в электролит, осуществив мониторинг в реальном времени и высокоточную количественную реконструкцию pH - поля реакционного интерфейса в трехмерном пространстве с помощью лазерной технологии с общей фокусировкой изображения, сканирующей область электролита вблизи интерфейса.
С помощью этого инструмента команда провела мониторинг химической среды на границе цинковых электродов в режиме реального времени. Во - первых, в статических условиях трехмерная визуализация обнаруживает явную стратификацию pH в направлении гравитации, то есть область под электродом значительно выше, чем область выше, и разница в pH достигает около 0,3 при 600 с. Кроме того, в условиях работы симметричного цинкового аккумулятора при постоянном токе для мониторинга на месте было обнаружено, что под интерфейсом фазы электрорастворения быстро формируется область высокого pH, вертикальный градиент pH быстро увеличивается, разница pH вверх и вниз при 180s достигает около 0,6; Впоследствии, хотя на этапе осаждения наблюдалось некоторое ослабление, в конце цикла он оставался выше 0,4. Эти результаты показывают, что интерфейс цинкового электрода образует стабильную вертикальную химическую стратификацию как во время статической, так и электрохимической работы.
Исследовательская группа в сочетании с моделированием полифизических полей продемонстрировала, что эта химическая стратификация является прямым результатом регулирования передачи веществ с гравитационной связью, и выявила совершенно новый механизм отказа электродов: перераспределение активного вещества с химическим градиентом. В частности, низкие концентрации pH и Zn2 + в верхней части ускорили коррозию и растворение водорода, в то время как высокие концентрации pH и Zn2 + в нижней части подавляли коррозию водорода и способствовали осаждению цинка. По мере того, как циркуляция продолжается, эта разница приводит к перемещению активного цинка в вертикальном направлении, что в конечном итоге приводит к структурной дифференциации « верхнего истощения - нижнего обогащения» и вызывает отказ электродов.
Эта работа успешно реализует трехмерную визуализацию химической стратификации интерфейса цинковых батарей водной системы, раскрывает механизм перераспределения активных веществ на цинковых электродах, управляемый химическим градиентом, не только дает новое понимание механизма отказа металлических отрицательных электродов в цинковых батареях водной системы, но и дает универсальное руководство по рациональному проектированию металлических батарей в других водных системах.
Первыми авторами являются Чжао Чжунси и Чэнь Юнтан, а авторами - профессор Сяо Пэн, работа финансируется Национальным фондом естественных наук (523B2061) и Национальной программой инновационных талантов для молодежи (GG2090007001).
