俄勒冈州立大学开发高性能的新型纳米结构合金负极材料

俄勒冈州立大学工程学院的研究人员开发了一种由新型纳米合金制备的负极材料，这种纳米合金可能会颠覆储能设备的设计和制造方式。这种以锌和锰为主的合金，为更安全、更廉价、且储量丰富的物质——海水取代电池电解液中常用的溶剂奠定了基础。该研究结果发表在《Nature Communications》杂志上。

锂离子电池中的电解质通常溶解在有机溶剂中，这些溶剂易燃，在高电压下通常会分解，明显存在安全隐患，其中还包括在电极-电解液界面形成的锂枝晶，会导致短路。

水性电池可以作为安全、大规模储能设备的替代品。水电解液成本低、环境友好、充电快且功率密度高、容错能力强。但输出电压有限，且能量密度低(高能量密度电池储能更多，而高功率密度电池放电更快)，妨碍其大规模利用。

俄勒冈州立大学、中佛罗里达大学和休斯顿大学的研究人员设计了一种用三维“锌-M合金”构成的负极作为电池负极(其中M代表锰和其他金属)。利用合金的特殊纳米结构，来控制表面反应热力学和反应动力学，不仅抑制了金属枝晶的形成，而且在恶劣的电化学反应条件下，显示出超高的稳定性，充电、放电循环超过数千次。锌离子的电荷传输量是锂的一倍，因此电池能量密度提高。研究采用海水代替高纯去离子水作为电解液，对水性电池进行了测试。结果表明，这种电池具备大规模生产的潜力。

研究人员利用X射线吸收光谱和成像技术，在不同操作阶段跟踪负极原子及其化学变化，确认3D合金在电池中如何发挥作用。理论和实验结果证明，3D合金负极材料界面极其稳定，这是通过锌在合金表面的良好扩散通道实现的。研究人员称，这项合作研究所展示的概念很可能会为水性和非水性电池高性能负极材料的设计带来根本性的转变。