04,03,2026 2xem
Gần đây, nhóm của giáo sư Jianpeng, Khoa Khoa học Nhiệt và Kỹ thuật Năng lượng tại Khoa Khoa học Kỹ thuật của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, đã đạt được tiến bộ mới trong lĩnh vực pin kẽm thủy hệ. Nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công công công công nghệ hình ảnh 3D pH tại chỗ và nhận ra hình ảnh ba chiều, tại chỗ và định lượng của trường pH giao diện phản ứng điện cực kẽm. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters với tiêu đề "Three-Dimensional Visualization of Chemical Stratification and Pathological Redistribution in Aqueous Zinc Batteries" và được chọn làm trang bìa.
Với những ưu điểm như an toàn, chi phí thấp và thân thiện với môi trường, pin kẽm thủy hệ cho thấy tiềm năng to lớn trong thế hệ lưu trữ năng lượng quy mô lớn tiếp theo. Tuy nhiên, sự mất ổn định giao diện của cực âm kẽm kim loại trong chất điện phân thủy hệ đã cản trở nghiêm trọng quá trình thương mại hóa, tăng trưởng nhánh, phản ứng phụ hydro phân tích, thụ động bề mặt và tự ăn mòn và các vấn đề khác được ghép nối với nhau, dẫn đến tuổi thọ pin thấp hơn nhiều so với lý thuyết mong đợi. Trên thực tế, những hành vi thất bại này được kiểm soát bởi môi trường vi mô hóa học cục bộ ở giao diện điện cực/điện phân, đặc biệt là sự tiến hóa động của hoạt động proton (tức là pH cục bộ). Môi trường axit hóa cục bộ dễ gây ra sự ăn mòn hóa học của kẽm hoạt tính và làm trầm trọng thêm phản ứng phân tách hydro, trong khi kiềm hóa cục bộ thúc đẩy sản xuất các sản phẩm phụ cách nhiệt như kẽm sulfat kiềm hoặc kẽm oxit, dẫn đến thụ động giao diện và lắng đọng không đồng đều. PH giao diện không phải là biến phản ứng thụ động, mà là thông số cốt lõi trực tiếp xác định hướng tiến hóa và chọn lọc của phản ứng âm kẽm. Do đó, việc phát triển các phương pháp đặc tính cho phép nắm bắt tại chỗ các quá trình tiến hóa ba chiều của môi trường hóa học giao diện và hiểu sâu hơn về tác động của chúng đối với sự ổn định của điện cực có ý nghĩa quan trọng trong việc tiết lộ cơ chế thất bại của pin kẽm thủy hệ cũng như cải thiện hiệu suất của pin.
Để giải quyết các vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một thiết bị kiểm tra điện hóa có thể thực hiện quan sát quang học và đưa chất chỉ thị pH huỳnh quang vào chất điện phân, quét từng lớp vùng điện phân gần giao diện thông qua công nghệ hình ảnh đồng tập trung laser, thực hiện giám sát thời gian thực và tái cấu trúc định lượng chính xác cao của trường pH giao diện phản ứng trong không gian ba chiều.
Với công cụ này, nhóm nghiên cứu đã theo dõi môi trường hóa học trên giao diện điện cực kẽm trong thời gian thực. Đầu tiên, trong điều kiện ngồi, hình ảnh 3D cho thấy sự phân tầng pH rõ rệt theo hướng trọng lực, tức là độ pH ở khu vực dưới điện cực cao hơn đáng kể so với khu vực phía trên, với chênh lệch pH khoảng 0,3 ở 600 s. Hơn nữa, theo dõi tại chỗ trong điều kiện hoạt động không đổi của pin kẽm đối xứng, người ta thấy rằng khu vực pH cao được hình thành nhanh chóng dưới giao diện giai đoạn hòa tan điện, gradient pH thẳng đứng tăng nhanh, chênh lệch pH lên và xuống khoảng 0,6 trong 180 giây; Sau đó, mặc dù giai đoạn lắng đọng đã dịu đi, nhưng khi kết thúc chu kỳ vẫn duy trì trên 0,4. Những kết quả này cho thấy sự phân tầng hóa học thẳng đứng ổn định được hình thành ở giao diện của điện cực kẽm trong quá trình vận hành tĩnh hoặc điện hóa.
Kết hợp với mô phỏng đa trường vật lý, nhóm nghiên cứu đã làm sáng tỏ rằng sự phân tầng hóa học này là kết quả trực tiếp của việc điều chỉnh vận chuyển các chất kết hợp hấp dẫn và tiết lộ một cơ chế thất bại điện cực hoàn toàn mới: phân phối lại các hoạt chất được thúc đẩy bởi gradient hóa học. Cụ thể, nồng độ pH thấp và Zn2+ở phần trên tăng tốc phản ứng ăn mòn và hòa tan hydro phân tách, trong khi nồng độ pH cao và Zn2+ở phần dưới ức chế ăn mòn hydro phân tách và thúc đẩy lắng đọng kẽm. Khi chu kỳ tiếp tục, sự khác biệt này thúc đẩy kẽm hoạt tính di chuyển theo hướng thẳng đứng, cuối cùng tạo thành sự khác biệt cấu trúc của "sự cạn kiệt trên - sự làm giàu dưới" và gây ra sự thất bại của điện cực.
Công trình này đã thực hiện thành công một hình ảnh 3D của sự phân tầng hóa học của giao diện tế bào kẽm nước, tiết lộ cơ chế phân phối lại các hoạt chất điện cực kẽm được điều khiển bởi gradient hóa học, cung cấp cái nhìn sâu sắc mới không chỉ về cơ chế thất bại của các cực âm kim loại trong tế bào kẽm nước mà còn hướng dẫn chung về thiết kế hợp lý của các tế bào kim loại nước khác.
Tác giả đầu tiên của luận án là Zhao Zhongxi và Chen Yongtang và tác giả truyền thông là Giáo sư Đàm Bằng. Công việc đã được tài trợ bởi Dự án Nghiên cứu Cơ bản Sinh viên Trẻ của Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia (523B2061), Dự án Thanh niên của Chương trình Tài năng Sáng tạo Quốc gia (GG2090007001).
