锌阳极电池能量密度高，成本低

智能手机或电动汽车中的锂离子电池(Li-Ion)有很多优点。它很轻，能装得住电荷，也不太贵，即使在极少数情况下，它可能会着火。锂离子电池的另一个缺点是不能快速充电，而且它们缺乏处理大电流涌动的能力。

研究人员与康奈尔大学詹姆斯·a·弗兰德家族杰出工程学教授林登·阿切尔(Lynden Archer)合作，找到了一种方法来制造一种锌阳极电池，这种电池不仅具有高能量密度，而且成本低，坚固稳定，并且具有可以延长的生命周期。

锌阳极电池之所以具有吸引力，是因为它提供了一种低成本的方式来处理太阳能或风能产生的间歇性电力供应。研究人员说，这种方法适用于基于任何金属阳极的高能电池。

康奈尔大学领导的团队的论文“电池阳极中金属的可逆外延电沉积”于11月1日发表科学．主要作者是博士生郑景旭(Kent)和博士后研究员赵庆，17年博士。

锂离子电池使用石墨作为阳极的主材料，但相对于锂，石墨质量大，降低了储能量。因此，锂离子电池比实际需要的更重更笨重。

廉价、丰富的金属如钠、锌和铝已被提议作为替代阳极——电池中的“电荷存储”电极——但这些金属有其自身的缺点。一层薄薄的锌层一开始看起来很好，但当离子穿过它时，不规则的小凸起会发展成越来越大的结构——树突——破坏电流，导致电池过早失效。由于这一过程发生在所有金属中，基于金属阳极的电池在实际应用中是不可靠的。

郑和赵通过外延发现了一种解决方案——使用薄晶体层石墨烯生长另一种晶体材料:锌。由于石墨烯涂层又薄又轻，它给电池电极增加的质量可以忽略不计。它还被设计为电化学惰性，使沉积过程可逆。

阿彻说:“外延法可以通过创造有利于晶面生长的基底来生长具有所需晶面的晶体。”“但令我们惊讶的是，在第一层外延层上可以沉积多少层锌，而不会失去该层施加的晶体对称记忆。”

因此，锌阳极电池具有高密度储能的所有优点，但仍保持稳定。

“阳极的可逆性得到了增强，”郑说，“这意味着我们将需要在阳极中放入更少的材料来进行电池循环。对于没有这种外延技术的传统电池，可逆性很低，约为60%，这意味着在每个循环中，40%的材料会损失。”

Archer说，在低运行速率下，新型锌阳极电池的稳定性提高了10倍。然而，将这种电池应用于电网存储，需要有能力处理巨大的电流波动，这就是锌阳极电池证明其价值的地方，它有能力将稳定性能的循环从200次增加到2000次以上。

“外延模板技术原则上适用于任何金属阳极电池，”赵说。

阿彻说，他希望这一发现将导致可获得的、安全的、低成本的电池在世界各地的社区获得的热潮。

“我们可以以与燃烧化石燃料生产能源相比具有竞争力的成本从太阳中获取能量，但我们不能做的是使能量可调度，这意味着我们不能在需要时使用它，”阿切尔说，他也是康奈尔能源系统研究所的大卫·克罗尔主任。“这一不足对低碳电力和可再生能源主导电网的未来构成了重大障碍。”

康奈尔大学

www.cornell.edu

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能源和电力故事．

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