水系锌离子电池的新突破：长寿秘方与未来之路

作者段跃初

在当今能源需求日益增长的时代，寻找高效、安全、可持续的储能系统成为了科学界和工业界的共同追求。新型水系锌离子电池以其比容量高、安全性好等特点，备受瞩目，有望成为新一代电化学储能系统。然而，如同许多新兴技术一样，水系锌离子电池在实现商业化应用的道路上也面临着严峻的挑战，其中之一便是枝晶生长问题。

一、水系锌离子电池的优势与潜力

水系锌离子电池作为一种新型的储能技术，具有诸多优势。首先，它的比容量较高，能够存储更多的能量。相比传统的锂离子电池，水系锌离子电池在成本上也具有一定的优势，因为锌是一种丰富的自然资源，价格相对较低。此外，水系锌离子电池的安全性也非常出色。由于使用水作为电解液，避免了有机溶剂可能带来的燃烧和爆炸风险。

这些优势使得水系锌离子电池在众多领域具有广阔的应用前景。例如，在可再生能源领域，水系锌离子电池可以用于存储太阳能和风能等清洁能源，实现能源的稳定供应。在电子设备领域，水系锌离子电池可以为智能手机、平板电脑等设备提供更长的续航时间。在电动汽车领域，水系锌离子电池也有望成为一种安全、高效的动力源。

二、枝晶生长：水系锌离子电池的“拦路虎”

然而，水系锌离子电池的枝晶生长问题却成为了其实现商业化应用的一大障碍。枝晶是以树枝状形式生长的晶体，就如同冬天里尖锐的冰锥，不仅具有很强的“攻击性”，还可能刺穿电池的“心脏”，使得正负极导通，引发电池短路失效。

锌离子电池的枝晶生长主要发生在锌负极上。在电池充放电过程中，锌离子在负极表面不断沉积和溶解。如果沉积过程不均匀，就会形成枝晶。随着电池充放电时间的增加，枝晶生长的概率也会越来越大。因此，控制枝晶生长是延长电池寿命的关键因素。

三、科学家的新策略：筛选电解液添加剂

为了解决水系锌离子电池的枝晶生长问题，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所能源材料与器件制造研究部胡林华研究员团队提出了一种全新的策略。他们利用一种名为“最高占据分子轨道能级”的分子特性，筛选出能够稳定锌负极用的非牺牲性阴离子型表面活性剂作为电解液添加剂，以此来抑制锌枝晶的生长。

“最高占据分子轨道能级”是一种描述分子电子结构的重要参数。通过对不同分子的“最高占据分子轨道能级”进行分析，研究人员可以筛选出具有特定电子结构的分子，这些分子能够与锌离子发生相互作用，从而影响锌离子在负极表面的沉积和溶解过程。

经过大量的理论计算和实验研究，研究人员发现，使用十二烷基苯磺酸钠作为添加剂能够满足“保护剂”的要求。十二烷基苯磺酸钠是一种工业上广泛应用的清洁剂、乳化剂等，也是日常生活中洗衣粉、洗洁精的主要去污成分之一。它具有良好的表面活性，可以在锌负极表面形成一层保护膜，阻止锌离子的不均匀沉积，从而抑制枝晶的生长。

四、实验结果与意义

在实验中，研究人员将十二烷基苯磺酸钠作为添加剂加入到水系锌离子电池的电解液中。结果显示，这种添加剂的使用显著提升了电池的循环特性。稳定性（电池循环次数）提升了 30 倍，平均库伦效率（锌沉积/剥离的可逆性）也达到了 98.15%。

这项研究成果对于水系锌离子电池的发展具有重要的意义。首先，它为解决枝晶生长问题提供了一种有效的方法。通过筛选合适的电解液添加剂，可以有效地抑制枝晶的生长，延长电池的寿命，提高电池的性能。其次，这项研究成果也为其他电池中金属负极的稳定化提供了新思路。在锂离子电池、钠离子电池等其他电池体系中，金属负极的枝晶生长问题也是一个普遍存在的难题。因此，这项研究成果可以为解决这些电池体系中的枝晶生长问题提供借鉴和参考。

五、未来展望

虽然这项研究成果为水系锌离子电池的发展带来了新的希望，但要实现水系锌离子电池的商业化应用，还需要进一步的研究和努力。

首先，需要对电解液添加剂的作用机制进行更深入的研究。目前，虽然已经知道十二烷基苯磺酸钠可以抑制枝晶的生长，但对于其具体的作用机制还不是非常清楚。只有深入了解添加剂的作用机制，才能更好地设计和筛选出更有效的添加剂。

其次，需要进一步提高水系锌离子电池的性能。除了枝晶生长问题外，水系锌离子电池还存在着一些其他的问题，如能量密度较低、循环寿命有待进一步提高等。因此，需要通过改进电池的结构、优化电解液配方等方法，进一步提高水系锌离子电池的性能。

最后，需要加强产学研合作，推动水系锌离子电池的商业化应用。水系锌离子电池的商业化应用需要产业链上各个环节的共同努力，包括材料供应商、电池制造商、设备制造商等。只有加强产学研合作，才能加快水系锌离子电池的商业化进程，为实现可持续发展做出贡献。

总之，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所能源材料与器件制造研究部胡林华研究员团队的研究成果为水系锌离子电池的发展开辟了新道路。相信在不久的将来，随着技术的不断进步，水系锌离子电池将在能源存储领域发挥越来越重要的作用。