04,03,2026 2vues
Récemment, l'équipe du professeur lianpeng du Département des sciences thermiques et de l'ingénierie énergétique de la faculté des sciences de l'Ingénieur de l'Université des sciences et technologies de Chine a fait de nouveaux progrès dans le domaine des batteries au zinc du système d'eau, et l'équipe de recherche a développé avec succès la technologie de visualisation du pH 3D in situ, réalisant une imagerie tridimensionnelle, in situ et quantitative du champ pH de l'interface de réaction de l'électrode de zinc. Sous le titre « Three - dimensional Visualization of Chemical Strategic pathological redirection in Aqueous zinc batteries », les résultats ont été publiés dans la revue de renommée internationale ACS Energy letters et ont été sélectionnés pour la couverture.
Les batteries au zinc pour systèmes d'eau présentent un potentiel énorme pour le stockage d'énergie à grande échelle de la prochaine génération grâce à leurs avantages tels que leur sécurité intrinsèque, leur faible coût et leur respect de l'environnement. Cependant, l'instabilité interfaciale de l'électrode négative de zinc métallique dans l'électrolyte aqueux entrave sérieusement le processus de commercialisation, et des problèmes tels que la croissance des dendrites, la réaction secondaire de la déshydrogénation, la passivation de surface et l'autocorrosion sont couplés, ce qui entraîne une durée de vie de la batterie bien inférieure aux attentes théoriques. En effet, ces comportements de défaillance sont tous contrôlés par le micro - environnement chimique local à l'interface électrode / électrolyte et notamment par l'évolution dynamique de l'activité protonique, c'est - à - dire du pH local. L'environnement acidifié localement est susceptible d'induire une corrosion chimique du zinc actif et d'intensifier les réactions de déshydratation, tandis que l'alcalinisation locale favorise la production de sous - produits isolants tels que le sulfate de zinc basique ou l'oxyde de zinc, entraînant une passivation de l'interface et un dépôt hétérogène. Le pH Interfacial n'est pas une variable de réponse passive, mais un paramètre central qui détermine directement la sélectivité de la réaction négative du zinc par rapport à la direction d'évolution. Le développement de méthodes de caractérisation capables de capturer in situ le processus d'évolution tridimensionnelle de l'environnement chimique Interfacial et de comprendre en profondeur son impact sur la stabilité des électrodes est donc important pour révéler les mécanismes de défaillance des batteries au zinc aqueux, ainsi que pour améliorer les performances des batteries.
En réponse au problème ci - dessus, l'équipe de recherche a conçu un dispositif de test électrochimique qui peut être observé optiquement et introduit un indicateur de pH Fluorescent dans l'électrolyte, permettant une surveillance en temps réel du champ pH de l'interface réactionnelle dans l'espace tridimensionnel avec une reconstruction quantitative de haute précision par balayage couche par couche de la région de l'électrolyte près de l'interface par la technique d'imagerie confocale au laser.
Grâce à cet outil, l'équipe de recherche a effectué une surveillance en temps réel de l'environnement chimique de l'interface de l'électrode de zinc. Tout d'abord, dans des conditions de repos, l'imagerie tridimensionnelle révèle une nette stratification du pH dans le sens de la gravité, c'est - à - dire que le pH de la zone sous l'électrode est significativement plus élevé que celui de la zone supérieure, la différence de pH atteignant environ 0,3 à 600 S. En outre, la surveillance in situ dans les conditions de fonctionnement à courant constant de la cellule symétrique au zinc a révélé que des zones de pH élevé se formaient rapidement sous l'interface de la phase d'électrolyse, que le gradient de pH vertical augmentait rapidement et que la différence de pH entre le haut et le bas atteignait environ 0,6 à 180 s; Il est ensuite resté supérieur à 0,4 en fin de cycle, bien que quelque peu atténué lors de la phase de dépôt. Ces résultats montrent qu'une stratification chimique verticale stable se forme à l'interface de l'électrode de zinc, que ce soit au repos ou en fonctionnement électrochimique.
L’équipe de recherche a combiné des simulations de champs multiphysiques pour élucider que cette stratification chimique est une conséquence directe de la régulation du transport de la matière couplée à la gravité et a révélé un tout nouveau mécanisme de défaillance des électrodes: la redistribution de la substance active induite par un gradient chimique. Plus précisément, le faible pH et la faible concentration en Zn2 + dans la partie supérieure accélèrent la corrosion hydrolytique et les réactions de dissolution, tandis que le pH élevé et la forte concentration en Zn2 + dans la partie inférieure inhibent la corrosion hydrolytique et favorisent le dépôt de zinc. Au fur et à mesure que le cycle progresse, cette différence entraîne la migration du zinc actif dans la direction verticale, aboutissant à une différenciation structurelle « épuisement supérieur - enrichissement inférieur» et provoquant la défaillance de l'électrode.
Le travail a réussi à réaliser une visualisation tridimensionnelle de la stratification chimique de l'interface de la batterie au zinc hydraulique, révélant le mécanisme de redistribution de la substance active de l'électrode au zinc entraîné par un gradient chimique, fournissant non seulement de nouvelles informations sur le mécanisme de défaillance de l'électrode négative métallique dans la batterie au zinc hydraulique, mais également des conseils universels sur la conception rationnelle d'autres batteries au zinc hydraulique.
Le premier auteur de l'article est Zhao zhongxi, Chen yongtang, et l'auteur correspondant est le professeur Lian Peng, le travail a été financé par le programme de recherche fondamentale pour les jeunes étudiants du Fonds national des sciences naturelles (523b2061), le programme national pour les jeunes talents innovants (gg2090007001).
