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原位電化學阻抗譜（EIS）技術(shù)在鋅離子水系電池領(lǐng)域的應(yīng)用

來源：時間：2025-07-30 14:42:10 瀏覽：555次

原位電化學阻抗譜（EIS）技術(shù)在鋅離子水系電池領(lǐng)域的應(yīng)用

原位電化學阻抗譜（EIS）技術(shù)在鋅離子水系電池領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)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(yīng)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(shè)計提供依據(jù)。

電化學分析

原位電化學阻抗譜（EIS）技術(shù)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(yīng)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(shù)可以幫助理解鋰離子電池的反應(yīng)機理、檢測動力學/傳輸參數(shù)以及探索退化效應(yīng)。

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(guān)注。然而，鋅負極在實際應(yīng)用中面臨鋅枝晶生長、析氫反應(yīng)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Ca<sub>2</sub>MnO<sub>4</sub>正極上觀察到單組分陰極固體電解質(zhì)界面（SEI）層（CaSO<sub>4</sub>·2H<sub>2</sub>O）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(yīng)。

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(guān)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Zn<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>/ZnF<sub>2</sub>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(shù)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(shù)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。