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中国科大实现水系锌电池界面化学分层三维可视化

中国科学技术大学

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近日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系谈鹏教授团队在水系锌电池领域取得新进展，研究团队成功开发了原位3D pH可视化技术，实现了对锌电极反应界面pH场的三维、原位、定量成像。研究成果以“Three-Dimensional Visualization of Chemical Stratification and Pathological Redistribution in Aqueous Zinc Batteries”为题，发表于国际知名期刊《ACS Energy Letters》，并被选为封面论文。

水系锌电池凭借其本征安全、低成本与环境友好等优势，在下一代大规模储能中表现出巨大潜力。然而，金属锌负极在水系电解液中的界面不稳定性严重阻碍了商业化进程，枝晶生长、析氢副反应、表面钝化及自腐蚀等问题相互耦合，导致电池循环寿命远低于理论预期。事实上，这些失效行为均受控于电极/电解液界面局部化学微环境，尤其是质子活性（即局部pH）的动态演化。局部酸化环境易诱发活性锌的化学腐蚀并加剧析氢反应，而局部碱化则促进碱式硫酸锌或氧化锌等绝缘副产物的生成，导致界面钝化和不均匀沉积。界面pH并非被动响应变量，而是直接决定锌负极反应选择性与演化方向的核心参数。因此，发展能够原位捕捉界面化学环境三维演化过程的表征方法，并深入理解其对电极稳定性的影响，对于揭示水系锌电池的失效机制以及提高电池性能具有重要意义。

针对上述问题，研究团队设计了一种可进行光学观测的电化学测试装置，并在电解液中引入荧光pH指示剂，通过激光共聚焦成像技术逐层扫描界面附近电解液区域，实现了反应界面pH场在三维空间中的实时监测与高精度定量重构。

图1.原位三维荧光pH可视化平台构建原理

借助这一工具，研究团队对锌电极界面化学环境进行了实时监测。首先，在静置条件下，三维成像揭示出沿重力方向的明显pH分层，即电极下方区域的pH显著高于上方区域，在600 s时pH差值达到约0.3。进一步，在对称锌电池恒流运行条件下进行原位监测，发现电溶解阶段界面下方迅速形成高pH区域，竖直pH梯度快速增大，在180s时上下pH差值达到约0.6；随后在沉积阶段虽有所缓和，但循环结束时仍保持在0.4以上。这些结果表明，无论在静置还是电化学运行过程中，锌电极界面都会形成稳定的竖直化学分层。

图2.竖直pH梯度的时空演变和3D可视化

研究团队结合多物理场模拟，系统阐明了这种化学分层是重力耦合物质传输调控的直接结果，并揭示了一个全新的电极失效机制：化学梯度驱动的活性物质再分布。具体而言，上部的低pH和低Zn²⁺浓度加速了析氢腐蚀和溶解反应，而下部的高pH和高Zn²⁺浓度抑制了析氢腐蚀，促进了锌沉积。随着循环进行，这种差异驱动活性锌沿竖直方向迁移，最终形成“上部耗尽-下部富集”的结构分化，并引发电极失效。