近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系談鵬教授團(tuán)隊(duì)在水系鋅電池領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了原位3D pH可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋅電極反應(yīng)界面pH場的三維、原位、定量成像。研究成果以“Three-Dimensional Visualization of Chemical Stratification and Pathological Redistribution in Aqueous Zinc Batteries”為題，發(fā)表于國際知名期刊《ACS Energy Letters》，并被選為封面論文。
 

　　水系鋅電池憑借其本征安全、低成本與環(huán)境友好等優(yōu)勢，在下一代大規(guī)模儲(chǔ)能中表現(xiàn)出巨大潛力。然而，金屬鋅負(fù)極在水系電解液中的界面不穩(wěn)定性嚴(yán)重阻礙了商業(yè)化進(jìn)程，枝晶生長、析氫副反應(yīng)、表面鈍化及自腐蝕等問題相互耦合，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命遠(yuǎn)低于理論預(yù)期。事實(shí)上，這些失效行為均受控于電極/電解液界面局部化學(xué)微環(huán)境，尤其是質(zhì)子活性(即局部pH)的動(dòng)態(tài)演化。局部酸化環(huán)境易誘發(fā)活性鋅的化學(xué)腐蝕并加劇析氫反應(yīng)，而局部堿化則促進(jìn)堿式硫酸鋅或氧化鋅等絕緣副產(chǎn)物的生成，導(dǎo)致界面鈍化和不均勻沉積。界面pH并非被動(dòng)響應(yīng)變量，而是直接決定鋅負(fù)極反應(yīng)選擇性與演化方向的核心參數(shù)。因此，發(fā)展能夠原位捕捉界面化學(xué)環(huán)境三維演化過程的表征方法，并深入理解其對(duì)電極穩(wěn)定性的影響，對(duì)于揭示水系鋅電池的失效機(jī)制以及提高電池性能具有重要意義。
 

　　針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可進(jìn)行光學(xué)觀測的電化學(xué)測試裝置，并在電解液中引入熒光pH指示劑，通過激光共聚焦成像技術(shù)逐層掃描界面附近電解液區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)界面pH場在三維空間中的實(shí)時(shí)監(jiān)測與高精度定量重構(gòu)。
 

　　借助這一工具，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鋅電極界面化學(xué)環(huán)境進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。首先，在靜置條件下，三維成像揭示出沿重力方向的明顯pH分層，即電極下方區(qū)域的pH顯著高于上方區(qū)域，在600 s時(shí)pH差值達(dá)到約0.3。進(jìn)一步，在對(duì)稱鋅電池恒流運(yùn)行條件下進(jìn)行原位監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電溶解階段界面下方迅速形成高pH區(qū)域，豎直pH梯度快速增大，在180s時(shí)上下pH差值達(dá)到約0.6；隨后在沉積階段雖有所緩和，但循環(huán)結(jié)束時(shí)仍保持在0.4以上。這些結(jié)果表明，無論在靜置還是電化學(xué)運(yùn)行過程中，鋅電極界面都會(huì)形成穩(wěn)定的豎直化學(xué)分層。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多物理場模擬，系統(tǒng)闡明了這種化學(xué)分層是重力耦合物質(zhì)傳輸調(diào)控的直接結(jié)果，并揭示了一個(gè)全新的電極失效機(jī)制：化學(xué)梯度驅(qū)動(dòng)的活性物質(zhì)再分布。具體而言，上部的低pH和低Zn2+濃度加速了析氫腐蝕和溶解反應(yīng)，而下部的高pH和高Zn2+濃度抑制了析氫腐蝕，促進(jìn)了鋅沉積。隨著循環(huán)進(jìn)行，這種差異驅(qū)動(dòng)活性鋅沿豎直方向遷移，最終形成“上部耗盡-下部富集”的結(jié)構(gòu)分化，并引發(fā)電極失效。
 

　　該工作成功實(shí)現(xiàn)水系鋅電池界面化學(xué)分層的三維可視化，揭示了化學(xué)梯度驅(qū)動(dòng)的鋅電極活性物質(zhì)再分布機(jī)理，不僅為水系鋅電池中金屬負(fù)極的失效機(jī)制提供新見解，也為其他水系金屬電池的理性設(shè)計(jì)提供普適性指導(dǎo)。
 

　　論文第一作者為趙忠喜、陳永堂，通訊作者為談鵬教授，該工作得到了國家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(523B2061)、國家創(chuàng)新人才計(jì)劃青年項(xiàng)目(GG2090007001)的資助。