近日，能源研究機構 Rystad Energy 發出預警，鋰供應不足或導致電動汽車面臨 「電池荒」。
其報告顯示，到 2027 年，相關供應短缺將導致大約 330 萬輛電池容量為 75kWh 的電動汽車出現生產延誤，到 2028 年將達到約 900 萬輛，並在 2030 年飆升至 2000 萬輛左右，此外 2030 年鋰價或將飆升三倍之多。因此，尋找鋰電池的替代品，迫在眉睫。
好在已經有中國科學家，開始為鋰電池的替代品而努力。麻省理工學院（MIT）物理系博士後鄭景旭發現，鋁或鋅正在成為下一代可充電電池的「種子選手」。
他表示，用鋁或鋅作為負極的電化學電池，具有成本低、安全性較高的優點。但在目前，鋁電池或鋅電池，被認為是不切實際的，因為金屬陽極的可逆性很差，並且所存儲的電荷量很小。
基於此，他對上述難題加以攻克，並於 4 月 6 日在 Nature Energy 發表了題為《利用介面金屬基板結合調節高容量鋁和鋅電池陽極的電沉積形態》「Regulating electrodeposition morphology in high-capacity aluminium and zinc battery anodes using interfacial metal–substrate bonding」 的論文。
該研究的成果在於，先前高容量鋁合金電池中存在嚴重的枝晶生長問題，這會導致電池短路、容量衰減等問題。鄭景旭和合作者，通過設計基底的幾何結構和表面化學，以及誘導鋁金屬負極均勻沉積，可讓鋁合金電池在高電流、高容量的循環條件下，避免枝晶生長。
找到新材料，為環保電池奠定基礎
研究中，鄭景旭找到一種新型儲能材料，即使用低成本鋁材來製備 3D 陽極，這能為長循環壽命環保電池奠定良好的基礎。
研究中他發現，鋁或鋅等金屬與圖案化基底之間的牢固化學鍵，是形成緻密且均勻的非平面金屬沉積層的關鍵。
他認為，這種牢固化學鍵，不僅能降低形成電化學斷開的金屬碎片的可能性，還能確保在電池循環中金屬陽極中，可以連續進入離子和電子傳輸路徑。
為驗證上述概念，他使用鋁金屬陽極作為模型系統來做反推。最終發現，在未檢測到介面化學鍵合的基底上，鋁會不斷形成粗糙的異質電沉積，進而生成鋁枝晶。
與此同時，在碳纖維基底表面上，金屬鋁會形成「鋁–氧–碳」鍵，藉此形成高度均勻的沉積層，最終可讓金屬陽極具備 99% 以上的高度可逆性、和長達 3600h 的循環穩定性。
這種金屬與圖案化基底相結合的方法，還可拓展到金屬鋅陽極，並讓其也實現高可逆性。
鋁是地殼中含量非常豐富的元素，它不僅重量輕，儲能容量也很高。但是，由於陽極與陰極之間的玻璃纖維隔板，會給相關化學反應帶來阻礙，這導致很多實用性研究，總是卡在短路失效上。
為解決該痛點，鄭景旭想到了交織碳纖維製成的基材，他將前者和鋁結合起來。相比傳統電池的 2D 電極，這種結合可將電極升級到 3D 結構。
由於結構中含有可被精細控制的鋁層，因此當電池在充電時，通過共價鍵，材料可以均勻聚集在碳結構上。
概括來說，該方法主要利用化學驅動力，來促使鋁元素均勻沉積到 3D 結構的空隙中。並且，這種新型電極具備更高的厚度，相比其他電極反應速度也快得多。
把新電極搭載到電池上，他開發出一款循環壽命高達 10000 次、且沒有任何失效跡象的新型可充電裝置。
研究到這里，還沒有結束。為獲得較高的電極可逆性，在剝離和金屬電鍍的重複循環中，圖案化基底的幾何性質和化學完整性必須保持完整。
也就是說，一款理想的基底材料，要具備導電性和機械堅固性，且能形成基底與金屬之間的強介面結合。
基於上述認知，鄭景旭設計出一種由交織碳纖維組成的非平面圖案化基材，在電鍍過程中，這種基材可形成多種介面共價鍵，包括「鋁-碳」、「鋁-氧-碳」等。
在使用 X 射線光電子能譜技術分析後顯示，咪唑電解質與碳纖維的接觸，可顯著提高氧富集水平，從而在基板上形成大量富氧缺陷位點。而這些缺陷位點，進而會加強金屬與碳之間的共價鍵。
總結來說，這種氧介導金屬與基底的互相作用，可給金屬沉積、帶來局部熱力學驅動力，最終實現單根碳纖維上的金屬均勻沉積。
研究中，鄭景旭將沉積容量提升到 3 mAh cm -2 以上，並觀察到鋁進入第二階段的生長現象：緊湊的納米級鋁層上，長出了微米級鋁晶體。此外，X 射線衍射結果證實，碳基底纖維上僅存在鋁晶體。
他還發現，微小的鋁沉積物可以逐漸填充碳纖維空間，並能緊密連接納米級鋁層上。這說明，基底與金屬的結合，對於鋁的沉積形態起著決定性作用。當緻密的納米級鋁層完全占據襯底表面後，新沉積出來的鋁晶體，可恢復微米級的本徵生長模式。
X 射線光電子能譜技術分析結果表明，碳纖維基底表面上形成了「鋁-氧-碳」共價鍵，這種結合是由碳材料表面的氧化物質所致。相形見絀的是，在不鏽鋼和泡沫鎳上，根本不存在「鋁-氧-碳」鍵、或其他金屬與基底的鍵合。
據了解，該電池可維持穩定運行 2000 多小時。而且，在 8 mAh cm –2 的高面積容量下，可實現長達 3600 小時的穩定電鍍和剝離循環，這比此前報導的數值高出一到兩個數量級。這進一步說明，碳纖維上的鋁鍍層和剝離行為，具備高度可逆性。
為探索更多應用可能性，鄭景旭還研究了鋅的電沉積，恆電流電鍍和剝離結果表明，鋅在碳纖維上具有較低的電鍍和剝離效率，動力學表現也較為緩慢，這說明只有襯底結構，並不足以實現高度可逆的沉積。
為此，鄭景旭在碳纖維基底上引入石墨烯塗層，來提升金屬和基材之間的相互作用，鋅電鍍和剝離的可逆性、以及使用壽命也可藉此提高。
掃描電子顯微鏡結果表明，金屬與石墨烯之間的「強金屬-基底」相互作用，能有效促進納米級板狀鋅金屬的均勻沉積。
由此可見，只需經過合理設計，就能實現強相互作用的「金屬-基底」介面結合，從而將「金屬-基底」鍵合擴展到其他電沉積體系。
一言以蔽之，該工作表明，特定的「金屬-基底」介面鍵合，可對金屬電沉積形態實現精細控制、以及均勻緻密且可逆的金屬沉積。
這項技術對環境非常友好，有望提高可再生能源的儲存。並且，在成本方面，基於鋁和碳的兩極材料也相當低廉。
來源：kknewsMIT博士後開發出循環壽命高達10000次的新型可充電裝置
