近日，中科院大連化物所報道了一種新型的、長壽命、可自恢復的鋅碘液流電池技術。這種能“起死回生”的神奇電池有望用作大規(guī)模儲能技術，解決目前風能、太陽能等發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控的難題，實現(xiàn)清潔能源高效利用。今天，小編將為大家揭開這神奇電池背后的秘密。

枝晶問題：電池負極長出枝椏，然后就短路了

液流電池作為一種新型的電化學儲能技術，成為大規(guī)模儲能的首選技術之一。鋅碘液流電池采用高比容量、高活性的鋅離子作為負極活性物質(zhì)，具有高能量密度、高安全性的優(yōu)勢。除高比容量的鋅負極外，鋅碘液流更選用高比容量、高工作電壓的碘電對做正極活性電對，進一步提高了電池整體的能量密度，展現(xiàn)廣闊的應用前景。然而，與其他鋅基電池一樣，鋅負極的“枝晶問題”是其商業(yè)化發(fā)展道路上的一大難關。

鋅負極在不斷充放電過程中，會產(chǎn)生不規(guī)則的鋅枝晶(圖1)，這種“樹狀結構”的枝晶會在循環(huán)過程中不斷生長，最終刺穿電池的膜，造成電池的短路，嚴重影響電池的循環(huán)壽命。此外，負極側難以避免的析氫問題也影響著電解液的穩(wěn)定性，降低了電池的循環(huán)性能。

所以，抑制鋅枝晶的產(chǎn)生并且提高電解液的穩(wěn)定性是提高鋅基液流電池循環(huán)穩(wěn)定性，實現(xiàn)高能量密度液流電池實際應用的關鍵。

圖1 鋅負極枝晶的形貌和結構

“長枝椏”問題既然難以抑制，那么就將危害降到最小

可是如何抑制鋅枝晶的問題呢?從加入添加劑來控制晶核的均勻生長，到三維多孔電極來調(diào)控鋅在孔中的均勻沉積，眾多的科研學者給出了自己的解決方案。

然而，添加劑的加入會大大增加電池的極化，雖然抑制了鋅枝晶的生長速度，但是在長循環(huán)測試中，最終也難逃電池短路的命運。三維多孔電極雖然增加了電極的比表面積，從而增加了內(nèi)部“枝晶”的生長空間，但電極表面的枝晶產(chǎn)生和生長依然難以抑制，最終殊途同歸，電池短路，壽命結束。

中國有句古話，既來之，則安之。既然鋅枝晶很難被完全抑制，那么更好的解決方案就是將其的危害降到最小?？蒲袑W者想出了一個辦法：通過膜結構和電解液的優(yōu)化讓產(chǎn)生的鋅枝晶不能穿過膜;或者將部分已經(jīng)穿過膜的鋅枝晶自動消除。

這種新的思路看似反其道而為之，實際上則是順勢而為，為鋅基電池負極穩(wěn)定性提高提供了新途徑。

圖2 長壽命可恢復的鋅碘液流電池技術示意圖

新電池的優(yōu)點很多，最奇妙的就是活得久還能自己“滿血復活”

中科院大連化物所儲能技術研究部的研究者們在這一思路的指導下研發(fā)了上述的長壽命可自恢復的鋅碘液流電池技術，通過使用廉價的聚烯烴多孔膜和高穩(wěn)定性電解液實現(xiàn)電池的長期循環(huán)以及電池短路后的自恢復。

鋅碘液流電池在充電過程中，負極的鋅枝晶會不斷向前生長，直到刺穿膜生長到正極一側，造成電池短路;然后，正極氧化態(tài)電解液會與短路的鋅枝晶發(fā)生化學反應，將鋅枝晶慢慢溶解掉，最終，電池的短路消失，性能恢復正常。

材料廉價：采用高離子導通性、低成本的聚烯烴多孔膜(15美元/平方米)替代傳統(tǒng)的離子交換膜 (Nafion 115，700美元/平方米)，提高了電池的工作電流密度，同時大幅降低了電池的成本。

長壽：在充電過程中聚烯烴多孔膜孔徑中充滿了氧化態(tài)的正極電解液，當鋅枝晶生長到膜孔內(nèi)部后，氧化態(tài)的電解液可以將鋅枝晶溶解掉，從而防止鋅枝晶造成電池的短路，實現(xiàn)電池的長壽命循環(huán)。

可自恢復：即使在高電流密度長時間充電時，電池發(fā)生了短路，也可以通過膜孔內(nèi)氧化態(tài)電解液對鋅枝晶的溶解作用實現(xiàn)電池性能的自恢復。

功率高、穩(wěn)定：含采用高穩(wěn)定性、高導電率的 ZnBr2 和 KI 的混合溶液替代了傳統(tǒng)的 ZnI2 溶液，進一步提高了電池的高功率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。實驗結果表明，單電池在80 mA/cm2下運行，能量效率高達82%，比之前報道的鋅碘體系提高了8倍，能量密度可達80 Wh/L;即便是在180 mA/cm2下運行，電池的能量效率仍然超過70%。長循環(huán)實驗表明，單電池可以在80 mA/cm2下穩(wěn)定運行1000圈以上，時長超過三個月。

實用、可靠：研究團隊將單電池進一步放大組裝了千瓦級電堆(圖3)，該電堆可以在80 mA/cm2 下穩(wěn)定運行300圈以上，能量效率保持在80%左右。此外，電堆仍然具有短路恢復的特性，有力的證明了該體系的可靠性和實用性。

圖3 長壽命可恢復的鋅碘液流電池電堆及其充放電性能

綜上所述，在研究者們創(chuàng)新性的思考和多方面的實踐努力下，這種能“起死回生”的神奇電池就誕生啦!科技來源于生活，終將服務于生活。希望我們能早日在實際生產(chǎn)生活中見到它，感受它的魅力與神奇。

柴油發(fā)電機組