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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：2095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/電解質界面動態變化、鋅枝晶的形成、固體電解質界面（SEI）的演變以及電化學反應動力學等。通過監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，并為優化電池設計提供依據。

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，可以獲得電池內部的電阻、電容等信息，進而推斷電池內部的電化學過程。原位EIS則是在電池工作狀態下進行EIS測量，能夠實時監測電池內部的變化。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、低成本和環境友好等優點而備受關注。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界面（SEI）層（CaSO<sub>4</sub>·2H<sub>2</sub>O）的形成。通過原位構建鋅親和性海藻酸鈉人工界面層，可以實現鋅負極的穩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膜的形成與優化： 固體電解質界面（SEI）膜的形成對鋅負極的穩定性至關重要。原位EIS可以用來研究SEI膜的成分、結構和形成過程。通過調控SEI膜的性質，可以提高鋅負極的循環壽命和庫侖效率。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定性。通過優化電解液的成分，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界面（SEI），從而增強Zn2+離子的遷移并調節Zn的沉積/溶解行為。