Advanced Energy Materials:水系锌金属电池的综合分析工具箱

水系锌金属电池(AZMBs)因其低成本、高性能 (820 mAh g−1, 5855 mAh cm−3)、高安全性和环境友好性被认为是下一代储能系统的有力竞争者。然而,锌枝晶的生长、界面副反应 (化学腐蚀、产氢等) 的发生、Zn2+扩散动力学缓慢等问题严重阻碍了AZMBs的商业化发展。近年来,学者们对AZMBs进行了全面的研究和分析,并提出了多种解决策略。为了充分研究这些问题并评估各种策略的有效性,研究人员开发了一系列分析技术,包括各种表征方法、仿真模拟和理论计算分析等。为了更好地服务于AZMBs的研究工作,对这些分析技术进行系统化归纳梳理是极为必要的。

Advanced Energy Materials最近发表了由北京大学侯仰龙教授与博士后张隆共同撰写的综述文章“Comprehensive Analyses of Aqueous Zn Metal Batteries: Characterization Methods, Simulations, and Theoretical Calculations” (DOI: 10.1002/aenm.202003823)。该文系统地综述了近年来有关水系锌金属电池(AZMBs)综合分析技术的研究进展,旨在为深入剖析存在问题并提出解决策略提供一个通用的综合工具箱。

作者们首先总结了AZMBs的常规表征方法,包括锌枝晶的形态表征、化学腐蚀和H2演化的综合表征方法以及Zn2+扩散动力学的定量分析技术。这些表征方法为解决AZMBs中存在的问题提供了初步但必要的认识,为后续深入研究奠定了坚实的基础。然后,他们讨论了AZMBs研究中的一系列原位表征技术,包括各种可视化和光谱表征技术。这些先进的实时监测技术可以用来监测化学成分、形态结构、表面状况、结晶度和价态等信息的动态变化,有助于加深对电池失效机制的理解。接着,他们详细介绍了有限元模拟和DFT计算在AZMBs研究中的应用,这些原子层面的理论分析不仅可以更深入地探索机理,而且对指导研究和预测未来发展方向具有关键作用。最后,作者们对AZMBs综合分析中面临的挑战和未来发展前景进行了讨论和展望。

上述研究工作得到了国家重点研发计划 (2017YFA0206301, 2016YFA0200102)、国家自然科学基金项目(51631001, 51590882)、博士后创新人才支持计划 (BX20190002) 和博士后基金项目 (2019M660316) 的支持。

通讯作者简介:

侯仰龙,北京大学博雅特聘教授,皇家化学会会士(FRSC),国家重点研发计划纳米科技专项首席科学家,磁电功能材料与器件北京市重点实验室主任。主要从事多功能磁性材料、新能源材料的控制合成及其在纳米生物医学与能源领域的应用探索研究。迄今发表学术论文200余篇,被引用18500余次,H因子69。授权国家发明专利14项。获国家自然科学二等奖1项,教育部优秀科技成果奖自然科学一等奖1项和北京市科学技术奖二等奖1项。荣获全国创新争先奖状、北京茅以升青年科技奖、中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖,曾获国家杰出青年科学基金资助,入选教育部长江学者特聘教授、万人计划科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国优秀科技工作者和科睿唯安高被引科学家(2018, 2019,2020)。在国际和各类双边会议上作大会或分会邀请报告百余次。正主持国家重点研发计划,国家自然科学基金委重点项目、重大项目课题等。现任Rare Metals 副主编,Advanced Science、Science China Materials 等期刊编委,中国化学会理事、青年委员会主任委员等。

侯仰龙教授课题组网址http://nbm.coe.pku.edu.cn/Home.html