중국 과학대학 수체계 아연 배터리 인터페이스 화학 계층화 3D 시각화

최근, 중국과학기술대학 공정과학학원 열과학과 에너지공정학부 담붕교수팀은 수계 아연전지분야에서 새로운 진전을 가져왔다. 연구팀은 제자리 3D pH 시각화기술을 성공적으로 개발하여 아연전극반응계면 pH장에 대한 3차원, 제자리, 정량영상을 실현했다.연구 성과는'Three-Dimensional Visualization of Chemical Stratification and Pathological Redistribution in Aqueous Zinc Batteries'라는 제목으로 국제 저명 저널'ACS Energy Letters'에 발표됐으며 표지 논문으로 선정됐다.

수계 아연 전지는 본 징후의 안전, 저비용과 환경 친화 등의 우세로 차세대 대규모 에너지 저장에서 큰 잠재력을 보이고 있다.그러나 금속 아연 음극의 수계 전해액에서의 인터페이스 불안정성은 상업화 과정을 심각하게 방해하고, 가지 결정의 생장, 수소 분해 부반응, 표면 둔화 및 자부식 등 문제가 서로 결합하여 배터리 순환 수명이 이론적 예상보다 훨씬 낮게 되었다.사실, 이러한 실효 행위는 모두 전극/전해액 인터페이스의 국부 화학 미세 환경, 특히 양성자 활성 (즉, 국부 pH) 의 동적 진화에 의해 통제된다.국부적인 산화환경은 활성아연의 화학부식을 유발하고 수소분해반응을 격화시키기 쉬우며 국부적인 알칼리화는 알칼리식황산아연이나 산화아연 등 절연부산물의 생성을 촉진하여 계면이 둔화되고 고르지 않게 퇴적된다.인터페이스 pH는 수동 응답 변수가 아니라 아연 음극 반응의 선택성과 진화 방향을 직접 결정하는 핵심 매개변수입니다.따라서 인터페이스 화학 환경의 3차원 진화 과정을 제자리에서 포착할 수 있는 표징 방법을 발전시키고 전극 안정성에 대한 영향을 깊이 이해하는 것은 수계 아연 전지의 실효 메커니즘을 밝히고 전지의 성능을 향상시키는 데 중요한 의미를 가진다.

상술한 문제에 대하여 연구팀은 광학 관측을 진행할 수 있는 전기화학 테스트 장치를 설계하고 전해액에 형광 pH 지시제를 도입하여 레이저 공초점 영상 기술을 통해 인터페이스 부근의 전해액 구역을 층층이 스캔하여 반응 인터페이스 pH장이 3차원 공간에서의 실시간 모니터링과 고정밀 정량 재구성을 실현하였다.

이 도구를 사용하여 연구팀은 아연 전극 인터페이스 화학 환경을 실시간으로 모니터링했습니다.우선, 정적 조건에서 3차원 이미지는 중력 방향을 따라 뚜렷한 pH 계층을 드러낸다. 즉 전극 아래 구역의 pH가 위 구역보다 현저하게 높고 600s에서 pH 차이는 약 0.3에 달한다.더 나아가 대칭 아연 전지의 항류 운행 조건에서 제자리 모니터링을 진행하여 전기 용해 단계 인터페이스 아래에 신속하게 높은 pH 구역이 형성되고 수직 pH 경도가 빠르게 증가하여 180s에서 상하 pH 차이가 약 0.6에 달한다는 것을 발견했다;그 후 퇴적 단계에서는 다소 완화되었지만 순환이 끝날 때는 0.4 이상을 유지했다.이러한 결과는 아연 전극 인터페이스가 정적 또는 전기 화학 작동 중에 안정적인 수직 화학 계층을 형성한다는 것을 보여줍니다.

연구팀은 다물리장 시뮬레이션과 결합하여 이런 화학분층이 중력결합물질의 전송조절통제의 직접적인 결과임을 체계적으로 천명하고 새로운 전극실효메커니즘을 밝혀냈다. 즉 화학경도에 의해 구동되는 활성물질의 재분포이다.구체적으로 상부의 낮은 pH와 낮은 Zn2+ 농도는 수소 부식과 용해 반응을 가속화하고, 하부의 높은 pH와 높은 Zn2+ 농도는 수소 부식을 억제해 아연 퇴적을 촉진한다.순환이 진행됨에 따라 이런 차이는 활성아연을 수직방향으로 이동시켜 최종적으로"상부소진-하부부집"의 구조분화를 형성하고 전극실효를 유발한다.

이 작업은 수계 아연 전지 인터페이스 화학 계층의 3차원 시각화를 성공적으로 실현하여 화학 경도 구동의 아연 전극 활성 물질 재분포 기리를 제시하였으며, 수계 아연 전지 중 금속 음극의 실효 메커니즘에 새로운 견해를 제공할 뿐만 아니라 기타 수계 금속 전지의 이성적 설계에도 보편적인 지도를 제공하였다.

논문 제1저자는 조충희, 진영당, 교신저자는 담붕교수로 국가자연과학기금 청년학생기초연구사업(523B2061), 국가혁신인재계획 청년사업(GG2090007001)의 지원을 받았다.