俄勒冈州立大学 扫描电子显微镜图像
比例尺:10微米
乙XRD图案
原子力显微镜图像
沿[001]方向观察的Zn3Mn的HRTEM图像
比例尺:10纳米
HAADF-STEM图像和相应的原子晶体结构
比例尺:2纳米
晶体结构模型中的紫色球代表共占据的锌/锰原子
Zn3Mn的原子结构和表面原子能量图
锌阳极(上)和锌锰阳极(下)镀锌工艺示意图
来源:稳定、高性能、无枝晶、海水基水性电池 俄勒冈州立大学工程学院的研究人员开发了一种基于新型纳米结构合金的电池阳极，这种合金可以改变能量存储设备的设计和制造方式
锌锰基合金进一步打开了用更安全、更便宜、更丰富的东西来替代电池电解液中常用的溶剂的大门:海水
研究结果发表在《自然通讯》上
OSU大学的化学工程研究员冯振兴说:“世界的能源需求正在增加，但是开发具有高能量密度和长循环寿命的下一代电化学储能系统在技术上仍然具有挑战性。”
“使用水基导电溶液作为电解质的水基电池是一种新兴的、更安全的锂离子电池替代品
但是水系统的能量密度相对较低，而且水会与锂发生反应，这进一步阻碍了水电池的广泛应用
" 电池以化学能的形式储存能量，并通过反应将其转换成为汽车、手机、笔记本电脑和许多其他设备和机器提供动力所需的电能
电池由两个端子组成——通常由不同材料制成的阳极和阴极——以及隔膜和电解质，电解质是允许电荷流动的化学介质
顾名思义，在锂离子电池中，电荷是通过锂离子携带的，因为它们在放电过程中通过电解质从阳极移动到阴极，在充电过程中又返回
“锂离子电池中的电解质通常溶解在有机溶剂中，这种溶剂易燃，在高工作电压下会分解，”冯说
“因此，显然存在安全问题，包括电极-电解质界面上锂枝晶的生长；这会导致电极之间短路
" 树突类似于生长在锂离子电池内部的小树，可以像穿过车道裂缝生长的蓟一样刺穿隔板；结果是不必要的，有时是不安全的化学反应
近年来涉及锂离子电池的燃烧事件包括2013年一架停放的波音787飞机起火，2016年Galaxy Note 7智能手机爆炸，以及2019年特斯拉S型车起火
冯说，水电池是一种有前途的安全和可扩展的储能替代方案
水性电解质具有成本竞争力，对环境无害，能够快速充电和高功率密度，并且高度耐受误操作
然而，它们的大规模使用受到有限的输出电压和低能量密度的阻碍(具有较高能量密度的电池可以存储大量能量，而具有较高功率密度的电池可以更快地释放大量能量)
但是俄勒冈州立大学、中佛罗里达大学和休斯顿大学的研究人员设计了一种由三维“锌-锰合金”制成的阳极作为电池阳极——其中M指锰和其他金属
“使用这种具有特殊纳米结构的合金，不仅通过控制表面反应热力学和反应动力学来抑制枝晶的形成，而且在恶劣的电化学条件下，在数千次循环中表现出超高的稳定性，”冯说
“使用锌可以转移两倍于锂的电荷，从而提高电池的能量密度
电风扇(左上)由拟建的锌电池供电；0时ZIBs的典型充电/放电曲线
5C(右上)；对锌沉积动力学进行成像的原位显微镜设置(左下角)；以及锌沉积引起的形态变化(右下角)
学分:休斯顿大学 “我们还用海水代替高纯度去离子水作为电解液测试了我们的水电池，”他补充道
“我们的工作显示了大规模制造这些电池的商业潜力
" 冯与博士
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学生王茂宇用x光吸收光谱和成像技术跟踪了阳极在不同操作阶段的原子和化学变化，这证实了三维合金在电池中的作用
“我们的理论和实验研究证明，三维合金阳极具有前所未有的界面稳定性，这是通过锌在合金表面的良好扩散通道实现的，”冯说
“在这项合作工作中展示的概念可能会为水电池和非水电池的高性能合金阳极设计带来范式转变，彻底改变电池行业
"
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