李先锋课题组Adv.Mater：一种用于提升锌基电池性能的锌均匀沉积诱导策略

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近日，中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部（DNL17）研究员李先锋、张华民团队，提出了一种利用磁控溅射技术在3D多孔碳毡电极上溅射金属锡层的策略，在水系锌基电池中实现了对锌沉积形貌的诱导，有效降低了锌的电化学沉积过电位，缓解了锌枝晶的生长，使锌基电池的库伦效率与循环寿命显著提升。

　　锌负极具有本征电极电势较低、动力学快、循环性好、储量丰富等特点，在锌-溴、锌-碘、锌-铈、锌-铁液流电池，锌-镍电池、锌-空气电池以及锌离子电池等领域受到研究者广泛关注。但是锌的不均匀沉积导致枝晶生长，枝晶会刺破隔膜，引起电解液互穿，使得电池库伦效率下降，同时造成电池短路，导致电池性能的快速衰减；此外，锌的异形生长导致锌脱落，不仅使电池的库伦效率降低，还会造成电解液循环流道堵塞影响流场分布的均匀性，从而缩短电池的循环寿命。
　　为此，该研究团队选用低成本的金属锡作为电化学沉积锌的形貌诱导材料，利用磁控溅射技术使锡在没有粘结剂的条件下牢固沉积在具有3D结构的碳毡负极上，有效降低了锌的沉积过电位，缓解了锌枝晶的生长。与基材相比，镀锡电极无论在锌-锌对称液流电池还是锌-溴单液流电池中，其循环稳定性和库伦效率都得以显著提升。此外，该研究团队利用超深度显微镜对锌沉积过程进行了原位表征，结合理论计算，对锌沉积诱导的原因进行简要分析。这项工作为锌负极以及其他金属负极的研究提供了新思路。
　　相关研究成果于近日发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。上述工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中科院STS项目等资助。


        磁控溅射原理：电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛伦兹力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长。


       李先锋，男，1979年7月生于山东沂水，中国科学院大连化学物理研究所，研究员，博士生导师。中组部“万人计划”青年拔尖人才，中科院卓越青年科学家获得者，辽宁省百千万人才工程“百层次”人才。大连化学物理研究所储能技术研究部部长，电池材料与关键技术研究组长。长期从事大规模电化学储能技术的研究开发工作。成果荣获包括“2015年国家技术发明二等奖”（排名3），中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者，排名2）、 “辽宁省技术发明二等奖”（排名第2）等科技奖励。获 “中国科学院卢嘉锡青年人才奖”，“第三届“中科院沈阳分院优秀青年科技人才奖”，“辽宁省青年科技奖”，等奖励。入选中组部青年拔尖人才计划，中国科学院卓越青年科学家项目、大连市杰出青年科技人才等。为首届中科院青年创新促进会会员，中国膜工业协会电驱动膜专业委员会委员，中国材料研究学会青年工作委员会理事。迄今为止共发表SCI论文100余篇，其中Energy & Environmental Science 6篇，Angew. Chem. Int. Ed 1篇， Advanced Functional Materials 2篇，Nano energy 1篇。迄今为止，论文他引次数2500余次， H 因子30。2015年开始担任“Scientific Reports”杂志编委。申报发明专利100余项，国际专利6项。授权20余项。作为负责人主持国家科技部973计划课题、国家自然科学基金，中组部青年拔尖人才计划项目、中科院重要方向性项目等多项项目与课题。


       张华民，国际知名的燃料电池和液流电池专家。中科院大连化学物理研究所首席研究员，博士生导师。大连融科储能技术发展有限公司副总经理、总工程师，国家发改委能源局“国家能源液流储能电池技术重点实验室”主任，国家发改委“液流储能电池技术国家地方联合工程研究中心”主任。能源行业液流电池标准化技术标准委员会主任委员、IEC/TC21 JWG7国际标准项目负责人, 负责液流电池国际标准的制定。2010年被聘为科技部973项目“大规模液流电池储能技术的基础研究”首席科学家。2014年入选科技部创新人才推进计划“科技创新创业人才”。2016年，入选中组部“万人计划科技创业领军人才”。
张华民发表学术论文380余篇。授权国家发明专利200余件，国际专利15件，主持制定燃料电池和液流电池标准10余项。研究成果荣获国家技术发明二等奖1项，中国科学院杰出科技成就奖1项，辽宁省企业重大成果奖1项，辽宁省技术发明一等奖2项，二等奖3项等奖项。