中國儲能網訊：堿性鋅基液流電池憑借高安全性、高電壓和低成本的獨特優(yōu)勢，一直是新型電力系統(tǒng)長時儲能技術的研究熱點。然而，其負極側存在鋅離子傳輸緩慢與電化學反應過快之間的動力學失配問題，導致鋅枝晶生長和不可逆副反應，嚴重限制了電池的循環(huán)壽命和商業(yè)化發(fā)展。現(xiàn)有研究聚焦于負極側電解質添加劑設計，通過提高離子傳輸速率或調節(jié)反應動力學來緩解上述矛盾，但如何實現(xiàn)二者高效協(xié)同仍然是一個重大挑戰(zhàn)。因此，亟需開發(fā)能夠精準調控離子輸運與電化學反應過程的新型電解質添加劑，實現(xiàn)堿性鋅基液流電池高穩(wěn)定、長壽命運行。
針對上述挑戰(zhàn)，西安交通大學能動學院何雅玲院士、李印實教授科研團隊創(chuàng)新性地提出了“有機分子差速鎖”的概念，報道了一種利用L-絲氨酸（Ser）添加劑來構建有機分子差速鎖的策略。其核心設計理念在于將Ser作為多功能添加劑部署到負極電解液中，通過體相和界面的分區(qū)調控建立一個鋅離子傳輸和電化學反應平衡的有利化學環(huán)境，從而實現(xiàn)堿性鋅基液流電池的長時穩(wěn)定循環(huán)。
通過理論計算與實驗表征相結合，研究團隊證明了Ser在平衡輸運-反應過程中的關鍵作用。在體相電解液中，Ser重塑了鋅離子溶劑化結構，在提高離子傳輸速率的同時限制了還原動力學。在電極/電解液界面處，Ser優(yōu)先吸附在電極表面，在誘導界面離子通量均勻化的同時減緩了鋅沉積動力學。此外，Ser可錨定在金屬鋅表面形成界面保護層，抑制了析氫和腐蝕。循環(huán)測試結果表明，含Ser的電池在50 mA·cm-2（30 mAh·cm-2）條件下可穩(wěn)定運行超過230小時。該工作揭示了Ser在調控鋅離子體相與界面行為中的多重作用機制，為開發(fā)高穩(wěn)定、長壽命堿性鋅基液流電池提供了新策略和理論依據。
基于L-絲氨酸添加劑構建有機分子差速鎖的電解液調控策略
（a）液流電池傳輸與反應過程示意圖；（b）有機分子差速鎖的設計理念；
（c）原始電解液中的鋅枝晶與副反應；（d）添加劑對鋅沉積過程的調控作用。
近日，該成果以《有機分子差速鎖平衡輸運-反應動力學實現(xiàn)長壽命堿性鋅基液流電池》（Organic Molecular Differential Lock Balancing Transport-Reaction Kinetics for Long-Life Alkaline Zinc-Based Flow Batteries）為題，發(fā)表于《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。何雅玲院士、李印實教授為論文通訊作者，能動學院博士生種法政為論文第一作者。該研究得到了國家自然科學基金等項目的支持。表征及測試工作得到西安交通大學國家儲能技術產教融合創(chuàng)新平臺（中心）的支持。
