Fotric 红外热成像应用分享 热力学惯性和动力学指标确定异金属界面锌基水电池

一、引言

近年来，水系锌基电池（AZBs）因其高理论能量密度、本征安全性和低成本等优点，受到了广泛关注。然而，金属锌负极在水溶液中的热力学稳定性和电化学动力学问题一直是制约其实际应用的关键因素。为了解决这些问题，研究者们不断探索新的策略，其中，通过优化异金属界面以提高锌负极的性能成为了一个重要的研究方向。

在探讨异金属界面锌基水电池（AZBs）的热力学惯性与动力学指标时，红外热成像技术作为一种先进的非接触式温度测量手段，为研究者们提供了独特的视角和有力的工具。以下将详细介绍红外热成像技术在这一领域的应用。

二、实验过程

通过FOTRIC科研热成像仪，规格:Fotric 618C-L29红外热像仪可以实时监测材料表面温度变化，可生成温升曲线。评估材料的导热率。

Fotric 618C科研热像仪套装工作示意图

Fotric 618C红外热像仪结果表明，在100次循环前后，Bi@Zn负极的温度分布比裸Zn负极更加均匀，冷却效率更快，这可以归因于Bi@Zn负极的热传递增强，可以减小热梯度，避免电极表面局部高温，从而保证电流分布均匀和Zn沉积均匀。3D共聚焦激光扫描显微镜显示，循环前裸Zn和Bi@Zn负极表面光滑，高度可以忽略不计。但是，循环100次后裸Zn呈现出较大的Zn枝晶，这是由于Zn表面的成核位点数量有限，润湿性较差，导致Zn2+和电荷的持续积累，从而诱导Zn沉积不均匀。相反，Bi@Zn负极表面相对光滑致密，这是由于Zn表面润湿性增强，表面亲锌性好，热导率提高，促进均匀的锌成核和沉积。原位光学显微镜证明Zn负极在沉积过程中沉积层不均匀，而Bi@Zn负极在整个电沉积过程中沉积均匀和致密，进一步证明了Bi@Zn负极优异的热导率可以减小热梯度，避免表面局部高温，从而可以保证电荷均匀和Zn2+分布均匀，从而实现均匀致密的Zn沉积。

图：原位热成像和光学显微演变分析。(a) 裸Zn和(b) Bi@Zn负极100次循环后的红外热成像图像。(c) 裸Zn和(d) Bi@Zn负极循环前和循环100次后的3D CLSM图像。自制透明对称电池中(e)裸Zn和(f) Bi@Zn负极锌沉积的原位光学显微镜图像。

本文以题为：Prioritizing Hetero-Metallic Interfaces via Thermodynamics Inertia and Kinetics Zincophilia Metrics for Tough Zn-based Aqueous Batteries在Advanced Materials上发表。第一作者为赵瑞正博士，通讯作者为复旦大学晁栋梁教授。

三、结论应用前景

在锌基水电池中，异金属界面的热力学稳定性是影响电池性能的关键因素之一。红外热成像技术可以实时监测电池在充放电过程中的温度变化，帮助研究者评估异金属界面的热力学惯性。具体来说，通过红外热像图，可以观察到电池在不同充放电阶段下温度的变化趋势和分布规律，从而判断异金属界面是否具有良好的热稳定性。

针对金属锌负极在水溶液中的热力学稳定性差和动力学缓慢等问题，优化不同的异质金属和合成溶剂，理论模拟和实验结果表明，由于热力学惰性和动力学亲锌性，Bi@Zn负极可以表现出更高效率。与纯锌负极相比，从热力学角度，Bi@Zn界面极大地抑制了副反应。结合理论计算模拟和原位/非原位表征，具有热力学惰性和动力学亲锌性的Bi@Zn界面在10 mA cm⁻²下展示了55 mV的低过电位和4700次循环寿命，显著优于其他候选金属界面。这一发现为高性能水系锌离子电池的开发提供了新的思路和方法。

论文连接：https://doi.org/10.1002/adma.202209288

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