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原位電化學阻抗譜（EIS）技術在鋅離子水系電池領域的應用

來源：時間：2025-07-30 14:42:10 瀏覽：2846次

原位電化學阻抗譜（EIS）技術在鋅離子水系電池領域的應用

原位電化學阻抗譜（EIS）技術在鋅離子水系電池領域中被廣泛應用，主要用于研究電池運行過程中的電極/電解質(zhì)界面動態(tài)變化、鋅枝晶的形成、固體電解質(zhì)界面（SEI）的演變以及電化學反應動力學等。通過監(jiān)測電池運行時的阻抗變化，可以深入了解電池性能衰減的機制，并為優(yōu)化電池設計提供依據(jù)。

電化學分析

原位電化學阻抗譜（EIS）技術的基本原理

電化學阻抗譜（EIS）是一種通過施加小振幅交流信號并測量電池體系的響應來研究電化學體系的有效方法。通過分析阻抗譜圖，可以獲得電池內(nèi)部的電阻、電容等信息，進而推斷電池內(nèi)部的電化學過程。原位EIS則是在電池工作狀態(tài)下進行EIS測量，能夠?qū)崟r監(jiān)測電池內(nèi)部的變化。EIS技術可以幫助理解鋰離子電池的反應機理、檢測動力學/傳輸參數(shù)以及探索退化效應。

鋅離子水系電池中鋅負極的研究

鋅離子水系電池（AZIBs）因其高安全性、低成本和環(huán)境友好等優(yōu)點而備受關注。然而，鋅負極在實際應用中面臨鋅枝晶生長、析氫反應和腐蝕等問題，這些問題會導致電池循環(huán)壽命降低。

鋅枝晶的形成與抑制： 鋅枝晶的形成是導致鋅負極失效的主要原因之一。原位EIS可以用來監(jiān)測鋅沉積過程中阻抗的變化，從而研究鋅枝晶的形成機制。通過在電解液中添加添加劑，如有機小分子，或構(gòu)建人工界面層，可以有效抑制鋅枝晶的生長。例如，利用原位電化學充電過程，可以在Ca2MnO4正極上觀察到單組分陰極固體電解質(zhì)界面（SEI）層（CaSO4·2H2O）的形成。通過原位構(gòu)建鋅親和性海藻酸鈉人工界面層，可以實現(xiàn)鋅負極的穩(wěn)定界面化學和均勻的鋅離子流。引入乙酰磺胺酸作為電解質(zhì)添加劑，可以形成富含有機陰離子的界面，從而抑制鋅枝晶的生長和副反應。

SEI膜的形成與優(yōu)化： 固體電解質(zhì)界面（SEI）膜的形成對鋅負極的穩(wěn)定性至關重要。原位EIS可以用來研究SEI膜的成分、結(jié)構(gòu)和形成過程。通過調(diào)控SEI膜的性質(zhì)，可以提高鋅負極的循環(huán)壽命和庫侖效率。例如，原位形成的Zn3(PO4)2/ZnF2富集的SEI可以改善鋅陽極的性能。

電解液的研究： 電解液的組成和性質(zhì)對鋅離子水系電池的性能有重要影響。原位EIS可以用來研究電解液的離子電導率、界面阻抗和電化學穩(wěn)定性。通過優(yōu)化電解液的成分，可以提高電池的能量密度和功率密度。例如，使用“鹽包水”電解質(zhì)可以在鋅負極表面均勻沉積LiF富集的納米顆粒狀固體電解質(zhì)界面（SEI），從而增強Zn2+離子的遷移并調(diào)節(jié)Zn的沉積/溶解行為。

電極材料結(jié)構(gòu)演變的原位研究

原位EIS技術能夠揭示水系鋅離子電池充放電過程中電極材料的結(jié)構(gòu)演變。傳統(tǒng)的非原位或原位X射線衍射（XRD）技術可以完成表征，但存在實驗繁瑣耗時等缺點。通過原位EIS可以更直接地觀察電極材料在充放電過程中的阻抗變化，從而了解其結(jié)構(gòu)演變。

EIS在其他電池體系中的應用借鑒

雖然主要討論鋅離子電池，但EIS在其他電池體系中也有廣泛應用，例如鋰離子電池，鉛酸電池，和鈉離子混合電容器。研究其他電池體系中EIS的應用，可以為鋅離子電池的研究提供借鑒。

結(jié)論

原位電化學阻抗譜（EIS）技術是研究鋅離子水系電池的重要手段，通過它可以深入了解電池內(nèi)部的電化學過程和界面動態(tài)變化。

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