04,03,2026 2vistas
Recientemente, el equipo del Profesor tan Peng del Departamento de Ciencias térmicas e Ingeniería energética de la facultad de Ciencias de ingeniería de la Universidad de Ciencia y tecnología de China ha logrado nuevos avances en el campo de las baterías de zinc en el sistema de agua. el equipo de investigación ha desarrollado con éxito la tecnología de visualización de pH 3D in situ para realizar imágenes tridimensionales, in situ y cuantitativas del campo de ph en la interfaz de reacción del electrodo de zinc. Los resultados de la investigación, titulados "tres visualizaciones dimensionales de estrategias químicas y redistribución patrimonial en aquou zinc batteries", fueron publicados en la revista de renombre internacional ACS Energy letters y seleccionados como trabajos de portada.
Las baterías de zinc de agua muestran un gran potencial en el almacenamiento de energía a gran escala de la próxima generación gracias a sus ventajas de Seguridad intrínseca, bajo costo y respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, la inestabilidad de la interfaz de los electrodos negativos de zinc metálico en los electrolitos del sistema de agua dificulta seriamente el proceso de comercialización, y problemas como el crecimiento de dendritas, los efectos secundarios de la evolución del hidrógeno, la pasivación de la superficie y la autocría se acoplan entre sí, lo que resulta en una vida útil del ciclo de La batería mucho menor de lo esperado teóricamente. De hecho, estos comportamientos de falla están controlados por el microambiente químico local de la interfaz electrodo / electrolito, especialmente la evolución dinámica de la actividad de protones (es decir, el pH local). El entorno de acidificación local puede inducir fácilmente la corrosión química del zinc activo y agravar la reacción de evolución del hidrógeno, mientras que la alcalinización local promueve la generación de subproductos aislantes como el sulfato de zinc básico o el óxido de zinc, lo que conduce a la pasivación de la interfaz y la deposición desigual. El pH de la interfaz no es una variable de respuesta pasiva, sino un parámetro central que determina directamente la selectividad y la dirección de evolución de la reacción negativa de zinc. Por lo tanto, el desarrollo de métodos de caracterización que puedan capturar in situ el proceso de evolución tridimensional del entorno químico de la interfaz y comprender en profundidad su influencia en la estabilidad de los electrodos es de gran importancia para revelar el mecanismo de falla de las baterías de zinc de agua y mejorar el rendimiento de las baterías.
En respuesta a los problemas anteriores, el equipo de investigación diseñó un dispositivo de prueba electroquímica que puede realizar observaciones ópticas e introdujo un indicador de pH fluorescente en el electrolito para escanear la región del electrolito cerca de la interfaz capa por capa a través de la tecnología de imagen de enfoque común láser, logrando el monitoreo en tiempo real y la reconstrucción cuantitativa de alta precisión del campo de pH de la interfaz de reacción en el espacio tridimensional.
Con esta herramienta, el equipo de investigación realizó un monitoreo en tiempo real del entorno químico de la interfaz del electrodo de zinc. En primer lugar, en condiciones estáticas, la imagen tridimensional revela una clara estratificación del pH a lo largo de la dirección de la gravedad, es decir, el pH en la región debajo del electrodo es significativamente más alto que en la región superior, y la diferencia de pH alcanza alrededor de 0,3 a 600 S. Además, el monitoreo in situ se llevó a cabo en condiciones de funcionamiento de corriente constante de la batería de zinc simétrica y se encontró que se formó rápidamente una zona de alto pH debajo de la interfaz en la etapa de electrodisolución, el gradiente de pH vertical aumentó rápidamente y la diferencia de pH entre arriba y abajo alcanzó alrededor de 0,6 a 180s; Posteriormente, aunque la etapa sedimentario se relajó, se mantuvo por encima de 0,4 al final del ciclo. Estos resultados muestran que la interfaz del electrodo de zinc formará una estratificación química vertical estable tanto durante la operación estática como electroquímica.
Combinando simulaciones de campo físico múltiple, el equipo de investigación aclaró sistemáticamente que esta estratificación química es el resultado directo de la regulación de la transmisión de sustancias acopladas por gravedad y reveló un nuevo mecanismo de falla de electrodos: redistribución de sustancias activas impulsadas por gradientes químicos. En concreto, las concentraciones bajas de pH y zn2 + en la parte superior aceleraron la corrosión y disolución de la evolución del hidrógeno, mientras que el alto pH y la alta concentración de zn2 + en la parte inferior inhibieron la corrosión de la evolución del hidrógeno y promovieron la deposición de zinc. A medida que avanza el ciclo, esta diferencia impulsa la migración vertical del zinc activo, lo que finalmente forma una diferenciación estructural de "agotamiento superior - enriquecimiento inferior" y provoca el fallo del electrodo.
Este trabajo realiza con éxito la visualización tridimensional de la estratificación química de la interfaz de la batería de zinc del sistema de agua, revelando el mecanismo de redistribución de la sustancia activa del electrodo de zinc impulsado por el gradiente químico, proporcionando no sólo nuevas ideas sobre el mecanismo de falla del negativo metálico en la batería de zinc del sistema de agua, sino también orientación universal para el diseño racional de otras baterías metálicas del sistema de agua.
Los primeros autores de la tesis son Zhao zhongxi y Chen yongtang, y el autor correspondiente es el Profesor tan peng. el trabajo fue financiado por el proyecto de investigación básica para jóvenes estudiantes de la Fundación Nacional de ciencias naturales de China (523b2061) y el proyecto juvenil del programa nacional de talentos innovadores (gg209007001).
