原位电化学阻抗谱（EIS）技术在锌离子水系电池领域的应用-测试GO

原位电化学阻抗谱（EIS）技术在锌离子水系电池领域的应用

原位电化学阻抗谱（EIS）技术在锌离子水系电池领域中被广泛应用，主要用于研究电池运行过程中的电极/电解质界面动态变化、锌枝晶的形成、固体电解质界面（SEI）的演变以及电化学反应动力学等。通过监测电池运行时的阻抗变化，可以深入了解电池性能衰减的机制，并为优化电池设计提供依据。

电化学分析

原位电化学阻抗谱（EIS）技术的基本原理

电化学阻抗谱（EIS）是一种通过施加小振幅交流信号并测量电池体系的响应来研究电化学体系的有效方法。通过分析阻抗谱图，可以获得电池内部的电阻、电容等信息，进而推断电池内部的电化学过程。原位EIS则是在电池工作状态下进行EIS测量，能够实时监测电池内部的变化。EIS技术可以帮助理解锂离子电池的反应机理、检测动力学/传输参数以及探索退化效应。

锌离子水系电池中锌负极的研究

锌离子水系电池（AZIBs）因其高安全性、低成本和环境友好等优点而备受关注。然而，锌负极在实际应用中面临锌枝晶生长、析氢反应和腐蚀等问题，这些问题会导致电池循环寿命降低。

锌枝晶的形成与抑制： 锌枝晶的形成是导致锌负极失效的主要原因之一。原位EIS可以用来监测锌沉积过程中阻抗的变化，从而研究锌枝晶的形成机制。通过在电解液中添加添加剂，如有机小分子，或构建人工界面层，可以有效抑制锌枝晶的生长。例如，利用原位电化学充电过程，可以在Ca₂MnO₄正极上观察到单组分阴极固体电解质界面（SEI）层（CaSO₄·2H₂O）的形成。 通过原位构建锌亲和性海藻酸钠人工界面层，可以实现锌负极的稳定界面化学和均匀的锌离子流。 引入乙酰磺胺酸作为电解质添加剂，可以形成富含有机阴离子的界面，从而抑制锌枝晶的生长和副反应。

SEI膜的形成与优化： 固体电解质界面（SEI）膜的形成对锌负极的稳定性至关重要。原位EIS可以用来研究SEI膜的成分、结构和形成过程。通过调控SEI膜的性质，可以提高锌负极的循环寿命和库仑效率。例如，原位形成的Zn₃(PO₄)₂/ZnF₂富集的SEI可以改善锌阳极的性能。

电解液的研究： 电解液的组成和性质对锌离子水系电池的性能有重要影响。原位EIS可以用来研究电解液的离子电导率、界面阻抗和电化学稳定性。通过优化电解液的成分，可以提高电池的能量密度和功率密度。例如，使用“盐包水”电解质可以在锌负极表面均匀沉积LiF富集的纳米颗粒状固体电解质界面（SEI），从而增强Zn2+离子的迁移并调节Zn的沉积/溶解行为。

电极材料结构演变的原位研究

原位EIS技术能够揭示水系锌离子电池充放电过程中电极材料的结构演变。 传统的非原位或原位X射线衍射（XRD）技术可以完成表征，但存在实验繁琐耗时等缺点。通过原位EIS可以更直接地观察电极材料在充放电过程中的阻抗变化，从而了解其结构演变。

EIS在其他电池体系中的应用借鉴

虽然主要讨论锌离子电池，但EIS在其他电池体系中也有广泛应用，例如锂离子电池，铅酸电池，和钠离子混合电容器。研究其他电池体系中EIS的应用，可以为锌离子电池的研究提供借鉴。

结论

原位电化学阻抗谱（EIS）技术是研究锌离子水系电池的重要手段，通过它可以深入了解电池内部的电化学过程和界面动态变化。