中科大谈鹏教授AFM研究：充电协议调控助力多维度竞争力锌铜电池

第一作者：尚文旭

通讯作者：谈鹏*

单位：深空探测全国重点实验室，中国科学技术大学，火灾科学国家重点实验室

早在1836年，英国科学家丹尼尔就发明了酸性锌铜电池，但其一直被视为一次电池而未能得到广泛研究。今年来，研究人员发现通过适当调控碱性电解质浓度，可使得铜电极实现可充电化，赋予了锌铜电池二次生命。然而，目前的碱性锌铜电池受制于铜电极的溶解性，充放电可逆性问题成为一个关键问题。本工作系统研究了铜电极在充电过程中的溶解特性，揭示了其在高电压下的溶解机理。基于此，提出了一种基于部分溶解-沉积机理的电池充电协议，一方面通过前期自活化实现了高活性物质利用率，另一方面有效提升了电池的充放电循环稳定性（400周循环，无明显衰减）。该工作为未来低成本、高能量密度动力电池的研究提供了方向，有助于加速锌基电池体系商业化应用。

近日，来自中国科学技术大学的谈鹏教授和深空探测全国重点实验室的尚文旭助理研究员在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“A multifaceted competitive Zn-Cu battery unleashed by optimizing charge protocols”的研究文章。该研究文章通过调控充放电协议有效提升了电池的循环稳定性，并提升了铜电极的活性物质利用率。

作者研究了铜电极在碱性条件下的电化学反应机制，揭示了铜电极高电压下溶解机理，并提出了相应的抑制策略。首先，结合CV曲线分别评估了铜和锌电极在不同电势区间范围内的电化学反应，在全电位范围内，两对明显不对称的峰表明不可逆的氧化还原过程；通过调整充电电压协议，在CV曲线中观察到更加可逆的氧化还原峰和更窄的还原峰峰值，表明可逆性的提升以及更快的还原反应速率。接着，以不同充电协议下进行了充放电测试，传统全电位范围下容量迅速衰减，而调整充电电压后，表现出极好的循环稳定性以及超平坦的电压曲线。最后，结合ICP-MS测试，作者初步猜测高电压下铜电极的溶解是造成全电压范围内充放电稳定性迅速衰减的原因。

作者对铜电极在不同充电协议下充放电循环过程中的结构和形态变化进行了研究。对于原始充电区间，在高电压区域CuO与碱性电解质反应产生Cu(OH)₄^2–(aq)而溶解进电解质中，导致电极表面出现缺陷和蜂窝状结构，最终导致铜电极的溶解和不可逆性。对于新充电协议区间，电极在充放电过程中表现出极好的可逆性，且基于部分溶解-沉积机制，有效提升了电极的容量。

作者测试并评估了经过充电协议调整后锌铜电池在五个维度的优势提升：1）容量：放电比容量达到了349.5 mAh g^–1；2）电压斜率：超平的电压曲线；3）能量效率：峰值能量效率高达92%；4）成本：每千瓦时只需43.25美元；5）循环稳定性：超过400周循环没有明显的性能衰减，为未来实际应用奠定了基础。

A multifaceted competitive Zn-Cu battery unleashed by optimizing charge protocols

谈鹏：中国科学技术大学热科学和能源工程系执行主任、博导，入选中国科学院（2018）、安徽省（2019）和国家（2020）人才计划青年项目。主要从事电化学能源系统中多场耦合能质传递与转化问题研究，包括物种输运特性、能质传递及转化理论模型和调控机制。近年来，主持国家重点研发计划“储能与智能电网技术”重点专项青年科学家项目、国家自然科学基金青年/面上项目、安徽省自然科学基金和企业技术开发项目多项。已在PNAS(2)、AEM(2)、AFM等国际知名学术期刊上发表SCI论文150余篇，总引用6100余次，H指数44，连续四年入选斯坦福大学“前2%科学影响力榜单”及“终身科学影响力榜单”；授权中国发明专利10余项。担任国际学术期刊e-Prime副主编、Energy Reviews编委、Advanced Powder Materials特聘编委、Research青年编委等。积极与国轩高科、国家电网等知名企业开展合作，推动新型储能电池技术的实用化。

尚文旭：深空探测全国重点实验室未来技术研究院助理研究员，长期致力于碱性锌基电池中正极材料及系统优化研究。以第一作者身份在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A、Cell reports physical science等国际高水平SCI期刊发表论文40余篇，其中第一作者15篇，申请中国发明专利7项，其中已授权5项。

课题组（先进电源研究组）网站：https://institution.ustc.edu.cn/AdvancedBatteryGroup