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标签：学科前沿

关键词：离子液体锌金属电池非牛顿流体

为了满足高功率密度电子设备的实际应用，人们对可充电金属电池的倍率性能提出了很高的要求。高倍率锌金属电池(ZMB)作为下一代大型商用储能系统的安全可靠电池，其镀锌不均匀和枝晶生长问题十分严重。针状或片状树枝晶可穿透分离器，导致电池突然失效。因此，缓解枝晶是加速大规模ZMB实际应用的关键部分。虽然固体电解质能有效地减缓枝晶生长，但其固有缺点是离子电导率相对较低。此外，由于其刚性，它们在放电/充电过程中不能在微观尺度上粘附在锌金属上，会导致严重的界面不相容问题。因此，寻找一种具有机械刚性且不会牺牲离子导电性和界面相容性的电解液具有十分重大的意义。

非牛顿流体表现出独特而有趣的特性：即它不满足牛顿的实验粘度定律，其剪切应力和剪切应变率之间的关系不是线性的。剪切增稠液(STF)是一种非牛顿液体，在不施加力的情况下，STF表现出可变形的行为，并在正常条件下像液体一样流动。然而，它的粘度随着剪切速率的增加而迅速增加，尤其是在临界剪切速率之后，它会变成一种非常坚硬的固体状材料。淀粉溶液是一种典型的非牛顿流体，可以被视为一种动态智能材料，同时具有液体和固体的特性。

基于此，苏州大学的晏成林教授等人受非牛顿流体动态“固-液”特性的启发，将其用作一种具有液态和固态两种行为的新型电解质，用于高倍率ZMB以提高循环稳定性和锌金属阳极的形貌。

图1.BE和NNFE中锌枝晶生长示意图和NNFE的固液行为

（图片来源：NanoLett.）

非牛顿流体电解质(NNFE)作为2MZnSO4的基础电解质(BE)具有快速的电化学动力学和良好的界面相容性。剪切增厚的NNFE的流动性和刚性行为可以根据Zn生长速率可逆地切换。当Zn在电极上的局部沉积不均匀时，NNFE会在Zn生长速度较快的区域做出响应并机械硬化，从而抑制枝晶的局部增加（图1a），这在理论上通过机械有限元模拟(FES)和原位光学显微镜得到证实。

图2.电解质的动力学研究

（图片来源：NanoLett.）

研究人员通过设计一种浓缩淀粉溶液（一种典型的非牛顿流体）来制备ZMB电解质，并对电解质进行了一些基本的动力学研究。如图2a所示，BE和NNFE的离子电导率可以分别计算为14.0和13.5mScm-1，表明添加的淀粉大分子不会加剧Zn2+的传导。此外，NNFE能够实现更稳定的和有效的电荷转移过程，可在循环过程中实现更快的动力学（图2c、d）。在设计的NNFE电解质中，对称电池表现出相对稳定的电阻（图2f）；该结果表明NNFE在减轻水电解质和锌电极之间不利的（电）化学副反应方面的有效性，从而提高了界面稳定性。值得注意的是，在具有高电流速率的区域中，NNFE会响应并机械硬化以阻止锌枝晶的局部增加。

图3.电解质的电化学性能研究

（图片来源：NanoLett.）

为了评估NNFE电解质在提高Zn电极电化学性能方面的关键作用，对不同电流密度下的Zn//Zn对称电池进行了长期恒电流循环。结果显示，即使在50mAcm–2的电流密度下，NNFE使Zn对称电池能够在次循环中可逆且稳定地运行。对于Zn//Na5V12O32(NVO)全电池，NNFE还实现了5Ag–1下个周期的长循环。

总之，该项研究通过设计一种基于非牛顿流体的新型电解质来实现高速无枝晶Zn沉积，为锌金属和其他金属电极的保护带来新的启示。

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