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在全球碳中和目標(biāo)的推動(dòng)下，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源迎來(lái)規(guī)模化發(fā)展，但其固有的間歇性與波動(dòng)性，讓高效可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐。鋅錳電池憑借水基電解質(zhì)的本征安全性、高電壓大容量的性能優(yōu)勢(shì)，成為大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域的潛力技術(shù)，卻長(zhǎng)期受限于酸性環(huán)境下鋅陽(yáng)極腐蝕的行業(yè)難題。

近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)、美國(guó)加州大學(xué)與美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款新型水性有機(jī)電解質(zhì)，成功破解這一技術(shù)瓶頸，顯著提升了鋅錳電池的循環(huán)穩(wěn)定性，相關(guān)成果發(fā)表于《自然?能源》雜志，為高能量密度鋅錳電池的實(shí)用化鋪平了道路。

相較于傳統(tǒng)鋰電池使用的易燃有機(jī)溶劑，鋅錳電池采用的水基電解質(zhì)從根源上提升了使用安全性，其通過(guò)鋅的電沉積與溶解實(shí)現(xiàn)充放電的工作原理，讓電池具備更高的能量利用效率，契合電網(wǎng)儲(chǔ)能對(duì)大容量、高穩(wěn)定性的需求。

但長(zhǎng)期以來(lái)，鋅錳電池的核心化學(xué)反應(yīng)需在酸性環(huán)境中進(jìn)行，酸性條件會(huì)持續(xù)加劇鋅陽(yáng)極的腐蝕，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命大幅縮短，這一“硬傷”讓其難以從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，成為制約其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心障礙。如何在維持電池電化學(xué)性能的同時(shí)，緩解鋅陽(yáng)極腐蝕、提升循環(huán)穩(wěn)定性，成為全球科研團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)。

此次研發(fā)的新型水性有機(jī)電解質(zhì)，由水與特定有機(jī)化合物復(fù)合而成，從多個(gè)維度實(shí)現(xiàn)了鋅錳電池性能的突破。這款電解質(zhì)不僅擁有更低的冰點(diǎn)，適配更多應(yīng)用場(chǎng)景，更重要的是能重塑水分子在電池內(nèi)部的行為方式，通過(guò)調(diào)控二氧化錳沉積過(guò)程中陽(yáng)離子的溶劑化結(jié)構(gòu)與相態(tài)，引導(dǎo)形成層次分明、離子傳輸高效的微觀結(jié)構(gòu)，讓電池的電化學(xué)反應(yīng)可逆性得到顯著提升。

在解決副反應(yīng)問(wèn)題上，新型電解質(zhì)將析氧反應(yīng)的過(guò)電位大幅提升至遠(yuǎn)高于二氧化錳沉積電位，徹底遏制了充電過(guò)程中氧氣逸出這一有害副反應(yīng)，從源頭減少了電池內(nèi)部的能量損耗與結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)，其能在陰極界面構(gòu)建局部酸堿梯度，優(yōu)化質(zhì)子傳遞與二氧化錳的剝離過(guò)程，進(jìn)一步改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)印證了新型電解質(zhì)的優(yōu)異性能，使用該電解質(zhì)的鋅錳電池在反復(fù)充放電過(guò)程中，能高效完成二氧化錳的生成與溶解，鋅陽(yáng)極的腐蝕現(xiàn)象得到明顯減輕。初步測(cè)試顯示，電池在循環(huán)超過(guò)5000次后仍能保持高庫(kù)侖效率，且無(wú)需額外添加強(qiáng)酸維持反應(yīng)環(huán)境，這一成果讓鋅錳電池?cái)[脫了對(duì)酸性環(huán)境的依賴，也標(biāo)志著其在實(shí)用化進(jìn)程中邁出了關(guān)鍵一步。

與傳統(tǒng)鋅錳電池相比，新體系下的電池不僅壽命大幅提升，更在使用成本與環(huán)境友好性上具備優(yōu)勢(shì)，為其規(guī)模化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

這一技術(shù)突破不僅為鋅錳電池的發(fā)展帶來(lái)新機(jī)遇，更對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)具有重要的啟發(fā)意義。目前，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在更大規(guī)格的電池單元中驗(yàn)證新型電解質(zhì)的性能，并探索其在真實(shí)電網(wǎng)環(huán)境中的集成應(yīng)用，推動(dòng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)，新型水性有機(jī)電解質(zhì)的設(shè)計(jì)思路，也為其他化學(xué)體系高性能水系電解質(zhì)的研發(fā)提供了參考，有望推動(dòng)水系電池整體技術(shù)水平的提升。