麻省理工访问学者开发出循环使用寿命高达10000次的新式INS13ZD装置，有望彻底消除枝晶生长问题 ，可帮助缓解锂电荒访谈
日前，可再生能源科学研究机构 Rystad Energy 收到预警系统，锂供给严重不足或引致电动车面临 电池组荒。
其调查报告显示，到 2027 年，有关供给紧缺将引致约 330 万台电池组耗电量为 75kWh 的电动车出现生产误点，到 2028 年将达到约 900 万台，并在 2030 年攀升至 2000 万台左右，此外 2030 年锂价或将攀升五倍之多。因此，找寻锂电组的代替品，刻不容缓。
图 | 有关调查报告（作者：Rystad Energy）
好在已经有中国生物学家，开始为锂电组的代替品而不懈努力。斯坦福大学（MIT）数学系访问学者郑景旭发现，铝或锌正在成为新一代INS13ZD电池组的冠亚军。
图 | 郑景旭（作者：受调查者）
他表示，用铝或锌作为正极的电铅炭组，具有效率高、可靠性较低的缺点。但在目前，铝电池组或锌电池组，被认为是毫无意义的，因为合金阴极的固相极差，并且所储存的磁矩量极小。
如前所述此，他对上述痛点予以攻下，再于 4 月 6 日在 Nature Energy 刊登了专文《利用介面合金硅片紧密结合控制大耗电量铝和锌电池组阴极的电堆积型态》Regulating electrodeposition morphology in high-capacity aluminium and zinc battery anodes using interfacial metal–substrate bonding 的学术论文。
图 | 此次学术论文（作者：受调查者）
该科学研究的丰硕成果是，早先大耗电量碳纤维电池组中存在严重的枝晶繁殖痛点，这会引致电池组漏电、耗电量极化等痛点。郑景旭和商业伙伴，通过设计尾端的欧几里得结构和表层生物化学，以及介导碳纤维正极光滑堆积，可让碳纤维电池组在高电阻、大耗电量的循环式条件下，防止枝晶繁殖。
找到新材料，为节能环保电池组打下基础
科学研究中，郑景旭找到一种新式储能材料，即使用低成本铝材来制备 3D 阴极，这能为长循环式使用寿命节能环保电池组打下良好的基础。
科学研究中他发现，铝或锌等合金与图案化尾端之间的牢固生物化学键，是形成致密且光滑的非平面合金堆积层的关键。
图 | 铝阴极在传统基质上表现出异质繁殖的倾向（作者：受调查者）
他认为，这种牢固生物化学键，不仅能降低形成电生物化学断开的合金碎片的可能性，还能确保在电池组循环式中合金阴极中，可以连续进入离子和电子传输路径。
为验证上述概念，他使用碳纤维阴极作为模型系统来做反推。最终发现，在未检测到介面生物化学键合的尾端上，铝会不断形成粗糙的异质电堆积，进而生成铝枝晶。
与此同时，在碳纤维尾端表层上，合金铝会形成铝–氧–碳键，借此形成高度光滑的堆积层，最终可让合金阴极具备 99% 以上的高度固相、和长达 3600h 的循环式稳定性。
这种合金与图案化尾端相紧密结合的方法，还可拓展到合金锌阴极，并让其也实现高固相。
铝是地壳中含量非常丰富的元素，它不仅重量轻，储能耗电量也很高。但是，由于阴极与阴极之间的玻璃纤维隔板，会给有关生物化学反应带来阻碍，这引致很多实用性科学研究，总是卡在漏电失效上。
为解决该痛点，郑景旭想到了交织碳纤维制成的基材，他将前者和铝紧密结合起来。相比传统电池组的 2D 电极，这种紧密结合可将电极升级到 3D 结构。
由于结构中含有可被精细控制的铝层，因此当电池组在充电时，通过共价键，材料可以光滑聚集在碳结构上。
（作者：受调查者）
概括来说，该方法主要利用生物化学驱动力，来促使铝元素光滑堆积到 3D 结构的空隙中。并且，这种新式电极具备更高的厚度，相比其他电极反应速度也快得多。
把新电极搭载到电池组上，他开收到一款循环式使用寿命高达 10000 次、且没有任何失效迹象的新式INS13ZD器。
科学研究到这里，还没有结束。为获得较低的电极固相，在剥离和合金电镀的重复循环式中，图案化尾端的欧几里得性质和生物化学完整性必须保持完整。
也就是说，一款理想的尾端材料，要具备导电性和机械坚固性，且能形成尾端与合金之间的强介面紧密结合。
如前所述上述认知，郑景旭设计出一种由交织碳纤维组成的非平面图案化基材，在电镀过程中，这种基材可形成多种介面共价键，包括铝-碳、铝-氧-碳等。
图 | 超高电阻密度镀铝剥离（作者：受调查者）
在使用 X 射线光电子能谱技术分析后显示，咪唑电解质与碳纤维的接触，可显着提高氧富集水平，从而在硅片上形成大量富氧缺陷位点。而这些缺陷位点，进而会加强合金与碳之间的共价键。
总结来说，这种氧介导合金与尾端的互相作用，可给合金堆积、带来局部热力学驱动力，最终实现单根碳纤维上的合金光滑堆积。
科学研究中，郑景旭将堆积耗电量提升到 3 mAh cm -2 以上，并观察到铝进入第二阶段的繁殖现象：紧凑的纳米级铝层上，长出了微米级铝晶体。此外，X 射线衍射结果证实，碳尾端纤维上仅存在铝晶体。
他还发现，微小的铝堆积物可以逐渐填充碳纤维空间，并能紧密连接纳米级铝层上。这说明，尾端与合金的紧密结合，对于铝的堆积型态起着决定性作用。当致密的纳米级铝层完全占据衬底表层后，新堆积出来的铝晶体，可恢复微米级的本征繁殖模式。
图 | 具有牢固的合金 - 尾端紧密结合力的尾端上碳纤维堆积物的微观结构（作者：受调查者）
X 射线光电子能谱技术分析结果表明，碳纤维尾端表层上形成了铝-氧-碳共价键，这种紧密结合是由碳材料表层的氧化物质所致。相形见绌的是，在不锈钢和泡沫镍上，根本不存在铝-氧-碳键、或其他合金与尾端的键合。
据了解，该电池组可维持稳定运行 2000 多小时。而且，在 8 mAh cm –2 的高面积耗电量下，可实现长达 3600 小时的稳定电镀和剥离循环式，这比此前报道的数值高出一到两个数量级。这进一步说明，碳纤维上的铝镀层和剥离行为，具备高度固相。
图 | 具有合金 - 尾端键合的铝阴极的电生物化学性能（作者：受调查者）
为探索更多应用可能性，郑景旭还科学研究了锌的电堆积，恒电阻电镀和剥离结果表明，锌在碳纤维上具有较低的电镀和剥离效率，动力学表现也较为缓慢，这说明只有衬底结构，并严重不足以实现高度可逆的堆积。
为此，郑景旭在碳纤维尾端上引入石墨烯涂层，来提升合金和基材之间的相互作用，锌电镀和剥离的固相、以及使用使用寿命也可借此提高。
扫描电子显微镜结果表明，合金与石墨烯之间的强合金-尾端相互作用，能有效促进纳米级板状锌合金的光滑堆积。
由此可见，只需经过合理设计，就能实现强相互作用的合金-尾端介面紧密结合，从而将合金-尾端键合扩展到其他电堆积体系。
图 | 合金 - 尾端介面键合策略拓展到锌阴极的电锌 / 剥离（作者：受调查者）
一言以蔽之，该工作表明，特定的合金-尾端介面键合，可对合金电堆积型态实现精细控制、以及光滑致密且可逆的合金堆积。
这项技术对环境非常友好，可望提高可再生可再生能源的储存。并且，在成本方面，如前所述铝和碳的两极材料也相当低廉。