發(fā)展更智能的水系電池綜述要點

綜述背景

? 隨著環(huán)境問題日益嚴重，緩解全球變暖和控制溫室氣體的排放已成為全人類的共同目標。2018年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)起了實現(xiàn)“碳中和”的倡議，即到本世紀末將全球氣溫上升限制在1.5℃以內(nèi)，這敦促人類社會實現(xiàn)從化石燃料向可再生能源(如太陽能、風能)的能源轉(zhuǎn)型。然而對環(huán)境友好的可再生能源卻大都存在分布不均和間歇性供能的問題，大規(guī)模儲能設施因而亟待發(fā)展。作為鋰離子電池(LIB)的一種可能的替代品，水系電池(aqueous batteries, ABs)以其經(jīng)濟性和安全性在大規(guī)模儲能領域得到越來越多的關(guān)注。

對于水系電池的研究由來已久(圖1a)。盡管針對ABs的研究發(fā)展勢頭強勁(圖1b)，其大規(guī)模應用仍然受到有限的能量密度和使用壽命的阻礙，這些痛點與電池內(nèi)部眾多的副反應密切相關(guān)(圖1c)。針對電極、電解液和隔膜進行設計和優(yōu)化是對于上述問題的現(xiàn)有解決方案。另一個需要解決的問題則是極端工作條件下電池故障率的增加(圖1d)，這凸顯了監(jiān)測和研究不同條件下ABs的失效機制的重要性。因此，實現(xiàn)ABs智能化對于其R&D及應用意義非凡。本文綜述了實現(xiàn)智能水系電池的4個方面并提出了未來的發(fā)展方向，包括傳感、電池-傳感器系統(tǒng)、自修復和人工智能。

本文以題為“Building smarter aqueous batteries”的綜述文章在國際期刊Small Methods上發(fā)表。本文通訊作者為香港科技大學(廣州)黃加強教授。本文共同第一作者為鄧燦彬博士和李亦晴碩士，通訊單位為香港科技大學(廣州)。

圖1.?水系電池的發(fā)展簡史和挑戰(zhàn)

綜述要點

? 以光學/超聲傳感器為例，介紹了監(jiān)測ABs的離子活動和界面反應的先進的傳感技術(shù)。 以檢測物理變量和化學物質(zhì)的電池-傳感器一體化系統(tǒng)為例，介紹了ABs在不同場景下的多功能應用。

以機械損傷、熱失控、過充等場景為例，介紹了在極端工作條件下用于ABs自修復和自保護的材料創(chuàng)新和電池設計。

介紹了人工智能如何幫助提高ABs材料篩選/優(yōu)化的效率與合理性。

提出了構(gòu)建更可靠、可持續(xù)和多功能的智能ABs的看法。 ?

圖文導讀

? Key 1. 水系電池的傳感技術(shù) 圖2. 水系電池中的聲學和光學傳感 ? ?



▲對于電池的反應機理和成分演變的研究有賴于精密的表征，然而傳統(tǒng)表征手段的應用往往受限于高昂的設備價格、復雜的電化學電池設計和實驗環(huán)境控制等因素。

聲學傳感和光學傳感，作為非侵入性的新型傳感技術(shù)，正被深入研究以診斷電池內(nèi)的反應動力學進程。電解液的聲學特性(聲速和衰減系數(shù))與電池的充電狀態(tài)存在關(guān)聯(lián)。此外，聲學傳感器在捕捉機械變化上具有優(yōu)勢，如應用于Zn電極的超聲波傳感器能夠利用聲波檢測有害枝晶的生長(圖2a)。而以光纖為基礎的光學傳感技術(shù)，則適用于更多的檢測對象，包括電池內(nèi)部的溫度、熱量、應變、折射率、拉曼和紅外光譜等。如通過分析光纖光譜變化來分辨MnO2電極上H+和Zn2+的嵌入(圖2f，g)。傳感技術(shù)的發(fā)展賦予了未來商業(yè)化智能ABs實時數(shù)據(jù)采集和自診斷的可能性。 ?

Key 2. 作為傳感器的電池

圖3. 用于應變/壓力測量的電池-傳感器系統(tǒng)

▲隨著智能便攜式設備的微型化，傳統(tǒng)的傳感器單體+電池單體的設計逐漸無法滿足功能和安全兩方面的需求。

水系電池的低成本和高安全性恰好契合微型設備的電源需求，而集成電源與傳感模塊的一體化設計則能夠在縮小模塊體積的同時提高性能。比如利用對NH3氣體敏感的mPANI/G納米片作為電池正極，可以制備得到鋅離子微電池(ZIMBs)-NH3傳感器；而在纖維狀鋅離子電池周圍包裹CNT/PDMS復合薄膜可用于監(jiān)測應變(圖3a-d)。圖3e-g則介紹了使用可充電固態(tài)ZIB作為柔性壓力傳感器(ZIB-P)的傳感機理、性能以及應用例子。 ?

Key 3. 水系電池的自修復

圖4.?水系電池的機械損傷自愈性

▲無論是電池內(nèi)部電化學反應帶來的枝晶生長還是電池外部的機械擠壓、彎折，抑或非正常使用導致的過充都會嚴重縮短ABs的壽命，甚至導致電池的失效。雖然對電池施加保護可以減緩上述過程，但電池的長期使用必然伴隨損傷。如果能夠賦予電池“自修復”的能力，就可以在不拆卸電池的情況下解決電池故障，延長電池的壽命。

實現(xiàn)對電池機械損傷的自修復有兩種思路：一是讓每個組件都具有自修復能力，二是將所有組件都置于自修復基質(zhì)中，以基質(zhì)的自修復驅(qū)動整個電池的一體化修復。圖4展示了針對電極-電解液界面、電解質(zhì)、電極、基底和一體化電池的自愈機理和性能。此外，利用溶膠-凝膠材料對溫度或pH敏感的特性也可以實現(xiàn)對電池過熱或過充的快速響應和電池保護。

Key 4.?水系電池的人工智能優(yōu)化

圖5. ABs陰極材料篩選

▲人工智能(AI)一直以來都在影響著傳統(tǒng)的研究和生產(chǎn)方法，而機器學習(ML)則是其重要分支之一。ML已被廣泛應用于解決可充電電池生產(chǎn)過程中不同尺度上的復雜問題。與傳統(tǒng)試錯法不同，數(shù)據(jù)驅(qū)動和機器學習方法能夠快速、高效、準確地預測材料/性能，有效指引實驗方向和規(guī)劃實驗資源。

許多新型可充電水系電池仍處于研發(fā)階段，單在材料層面就存在許多挑戰(zhàn)，人工智能技術(shù)在這一領域的應用還比較欠缺。人工智能在ABs中的最新研究，主要集中在材料的篩選和預測上。圖5展示了基于機器學習方法的通用預測模型，該模型可以快速預測尖晶石的電學性能，并選擇適用于鎂/鋅離子電池正極材料的最佳尖晶石結(jié)構(gòu)。此外，ML方法也在電解液優(yōu)化和添加劑選擇方面起到了重要作用，將機器學習與自動化實驗相結(jié)合在提高電解液研發(fā)效率上也具有巨大潛力。

總結(jié)與展望

? 圖6.?發(fā)展更智能的水系電池的重要方向



智能水系電池的發(fā)展需要更加系統(tǒng)和科學的研究，本綜述聚焦于智能ABs的最新發(fā)展，并重點探討了：傳感技術(shù)、作為傳感器的電池、電池自修復和人工智能這四個議題。對于智能ABs的未來研究方向，作者給出如下展望(圖6)：(1)多功能傳感器在電池狀態(tài)監(jiān)測和機理研究中的應用。(2)多功能ABs的設計與封裝。(3)智能ABs在極端條件下的自修復與自保護。(4)用于電池材料優(yōu)化和性能分析/預測的人工智能。

審核編輯：劉清