鋰離子電池在電化學儲能領域應用廣泛，但由于我國的鋰資源高度依賴進口,所以有必要開發(fā)適合我國資源結(jié)構的電池技術。相對于鋰的匱乏，我國的鋅資源十分豐富，且鋅電池的低成本、高安全和高比容量的優(yōu)勢對可再生能源布局中的規(guī)模儲能價值重大。然而，循環(huán)壽命短和能量密度低阻礙了鋅電池的進一步應用。青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心自2015年起就意識到該領域發(fā)展的必要性，一直以來堅持結(jié)合國家重大需求和基礎科學問題為一體，超前布局新型二次鋅電池技術，深耕于機理探索及核心材料研發(fā)，近年來取得了一系列突破性進展，核心技術國際領先。
研究初期，團隊將首要工作集中于揭秘鋅電池充電性能差的原因。經(jīng)過三年的不懈努力，理清了界面腐蝕、析氫和鈍化副反應是電池失效的主因（Nano Energy 2019, 57, 625，ESI高被引文章）。進而，闡明了副反應及鋅不均勻沉積存在強烈的協(xié)同關系（Energy Environ. Sci. 2019, 12, 1938，入選ESI高被引、熱點文章），并提出界面優(yōu)化的策略（授權專利ZL 201910240468.0），團隊進而以電解質(zhì)革新為突破口，在鋅離子的本征配位特征的基礎上，打破常規(guī)的溶劑和鋅鹽的搭配，提出了共熔電解液新體系，兼顧陰離子溶劑化，解決了鋅鹽解離困難的難題（授權專利ZL 20171097639.2；201510664283.4；201510724433.6）。研究人員注意到在特定共熔電解質(zhì)中存在鋅電極“預活化”的異?，F(xiàn)象。該現(xiàn)象在鋰離子電池中常見，屬于電解質(zhì)對電極的原位保護，但是在鋅電池中尚無任何報道。結(jié)合多種表征手段及理論計算，團隊確認了該現(xiàn)象的合理性，并把該成果發(fā)表于Nat. Commun. 2019, 10, 5374（ESI高被引、熱點文章），填補了鋅電池界面自保護機制的空白。團隊進一步構建了水合共熔電解液，巧妙平衡了共熔穩(wěn)定性和水溶液快速離子輸運的優(yōu)勢，鋅電池循環(huán)性能突破3500次且可用于低溫環(huán)境（Joule 2020, 4, 1557；ESI高被引、熱點文章）。為應對能量密度低的問題，團隊利用鋅離子的強締合行為構造了陰離子在電解質(zhì)結(jié)構中非均分布，開發(fā)了一種高電壓碳酸酯基鋅電解液，將鋅電池的電壓提高至2.80 V（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21769；J. Power Sources 2020, 457, 227994），并進行專利保護（ZL 201811534183.X；PCT/CN2019/073245）。上述進展為鋅電解質(zhì)配位結(jié)構設計和功能強化開辟了新空間。
從原理上分析，鋅電極循環(huán)性差根源于固-液反應機理，即放電態(tài)鋅離子游離于電解液，難以實現(xiàn)可逆沉積。利用固態(tài)電解質(zhì)取代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)有望根本解決不可逆的儲能機制。但是，鋅離子的固相遷移能壘極高，目前尚無具有可觀室溫鋅離子電導率的固態(tài)電解質(zhì)。得益于前期在聚合物電解質(zhì)扎實且領先的研究經(jīng)驗，團隊通過調(diào)控局部配位結(jié)構及骨架單元發(fā)展了系列雙極性聚合物基鋅離子固態(tài)電解質(zhì)（Adv. Funct. Mater. 2020, 2000347; Chem. Eng. J. 2021, 417, 128096），鋅離子電導率顯著高于傳統(tǒng)體系，并受邀撰寫聚合物鋅電池發(fā)展的綜述文章（NPG Asia Mater. 2020, 12, 4；入選高被引文章）。
在固態(tài)主體方面，團隊系統(tǒng)揭示了塑晶“柔性”主體可通過局部無序的“槳輪”機制促進鋅離子固相輸運的機理，并發(fā)現(xiàn)了惰性顆粒誘導界面離子傳輸?shù)男袨椋∕ater. Today Energy 2021, 20, 100630），進而提出了固態(tài)化及轉(zhuǎn)化型電極反應協(xié)同解決鋅電池可逆性差的合理路線（J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 10163；授權專利ZL201910359428.8）。最近，受到過冷共熔體不穩(wěn)定現(xiàn)象的啟發(fā)，團隊提出成核誘導共熔結(jié)晶的鋅離子固態(tài)電解質(zhì)（Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.202113086）。不同于常規(guī)無機和聚合物體系，高混亂度的共熔網(wǎng)絡及路易斯酸界面可形成擁有快速的鋅離子擴散動力學滲流通道，電導率超過傳統(tǒng)體系兩個數(shù)量級，為多價離子固態(tài)傳輸及鋅電池固態(tài)化提供了可行的材料基礎及技術方案。
以應用為導向，研究人員已進行二次鋅電池的放大驗證。團隊基于固液可逆相變的嵌段共聚物電解質(zhì)創(chuàng)新地發(fā)明了一種無需拆解，通過簡單低溫靜置便可修復電池損傷的方法，專利已授權（ZL201611224300.3），并對工藝及核心材料進行了知識產(chǎn)權布局（ZL 202111020829.4；202110717915.4；202110417001.6）。目前，團隊將該固液相變機制應用至解決鹵素正極不可逆溶出導致的容量衰減問題，為未來規(guī)模鋅基液流電池提供了新的思路（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 7871; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001997）。針對目前缺乏大面積均勻鋅電極修飾的制備手段，團隊分別于2018、2019年自主搭建了第一、二代抗腐蝕、抗鈍化鋅電極的可控修飾裝置，成本低廉且易于規(guī)?；?，已完成50 Ah鋅電池放大驗證, 能量密度達50 Wh/kg，循環(huán)壽命突破300次。團隊目前也在致力于大容量鹵素正極的研發(fā)，推動低成本、大容量、高安全的儲能體系的發(fā)展。
固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心在二次鋅電池領域已經(jīng)形成了特色的材料體系和工藝技術，相關成果與技術已申請專利10余項，授權6項，基本形成具有完全自主知識產(chǎn)權的鋅電池核心技術，將進一步推進我國資源優(yōu)勢的電池產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)布局，搶占全球綠色、低成本電池發(fā)展制高點，提升國際話語權和影響力。
