一、引言

近年來(lái)，水系鋅基電池（AZBs）因其高理論能量密度、本征安全性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。然而，金屬鋅負(fù)極在水溶液中的熱力學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題一直是制約其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。為了解決這些問(wèn)題，研究者們不斷探索新的策略，其中，通過(guò)優(yōu)化異金屬界面以提高鋅負(fù)極的性能成為了一個(gè)重要的研究方向。

在探討異金屬界面鋅基水電池（AZBs）的熱力學(xué)慣性與動(dòng)力學(xué)指標(biāo)時(shí)，紅外熱成像技術(shù)作為一種先進(jìn)的非接觸式溫度測(cè)量手段，為研究者們提供了獨(dú)特的視角和有力的工具。以下將詳細(xì)介紹紅外熱成像技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)FOTRIC科研熱成像儀，規(guī)格:Fotric 618C-L29紅外熱像儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料表面溫度變化，可生成溫升曲線。評(píng)估材料的導(dǎo)熱率。

Fotric 618C科研熱像儀套裝工作示意圖

Fotric 618C紅外熱像儀結(jié)果表明，在100次循環(huán)前后，Bi@Zn負(fù)極的溫度分布比裸Zn負(fù)極更加均勻，冷卻效率更快，這可以歸因于Bi@Zn負(fù)極的熱傳遞增強(qiáng)，可以減小熱梯度，避免電極表面局部高溫，從而保證電流分布均勻和Zn沉積均勻。3D共聚焦激光掃描顯微鏡顯示，循環(huán)前裸Zn和Bi@Zn負(fù)極表面光滑，高度可以忽略不計(jì)。但是，循環(huán)100次后裸Zn呈現(xiàn)出較大的Zn枝晶，這是由于Zn表面的成核位點(diǎn)數(shù)量有限，潤(rùn)濕性較差，導(dǎo)致Zn2+和電荷的持續(xù)積累，從而誘導(dǎo)Zn沉積不均勻。相反，Bi@Zn負(fù)極表面相對(duì)光滑致密，這是由于Zn表面潤(rùn)濕性增強(qiáng)，表面親鋅性好，熱導(dǎo)率提高，促進(jìn)均勻的鋅成核和沉積。原位光學(xué)顯微鏡證明Zn負(fù)極在沉積過(guò)程中沉積層不均勻，而B(niǎo)i@Zn負(fù)極在整個(gè)電沉積過(guò)程中沉積均勻和致密，進(jìn)一步證明了Bi@Zn負(fù)極優(yōu)異的熱導(dǎo)率可以減小熱梯度，避免表面局部高溫，從而可以保證電荷均勻和Zn2+分布均勻，從而實(shí)現(xiàn)均勻致密的Zn沉積。

圖：原位熱成像和光學(xué)顯微演變分析。(a) 裸Zn和(b) Bi@Zn負(fù)極100次循環(huán)后的紅外熱成像圖像。(c) 裸Zn和(d) Bi@Zn負(fù)極循環(huán)前和循環(huán)100次后的3D CLSM圖像。自制透明對(duì)稱電池中(e)裸Zn和(f) Bi@Zn負(fù)極鋅沉積的原位光學(xué)顯微鏡圖像。

本文以題為：Prioritizing Hetero-Metallic Interfaces via Thermodynamics Inertia and Kinetics Zincophilia Metrics for Tough Zn-based Aqueous Batteries在Advanced Materials上發(fā)表。第一作者為趙瑞正博士，通訊作者為復(fù)旦大學(xué)晁棟梁教授。

三、結(jié)論應(yīng)用前景

在鋅基水電池中，異金屬界面的熱力學(xué)穩(wěn)定性是影響電池性能的關(guān)鍵因素之一。紅外熱成像技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池在充放電過(guò)程中的溫度變化，幫助研究者評(píng)估異金屬界面的熱力學(xué)慣性。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)紅外熱像圖，可以觀察到電池在不同充放電階段下溫度的變化趨勢(shì)和分布規(guī)律，從而判斷異金屬界面是否具有良好的熱穩(wěn)定性。

針對(duì)金屬鋅負(fù)極在水溶液中的熱力學(xué)穩(wěn)定性差和動(dòng)力學(xué)緩慢等問(wèn)題，優(yōu)化不同的異質(zhì)金屬和合成溶劑，理論模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于熱力學(xué)惰性和動(dòng)力學(xué)親鋅性，Bi@Zn負(fù)極可以表現(xiàn)出更高效率。與純鋅負(fù)極相比，從熱力學(xué)角度，Bi@Zn界面極大地抑制了副反應(yīng)。結(jié)合理論計(jì)算模擬和原位/非原位表征，具有熱力學(xué)惰性和動(dòng)力學(xué)親鋅性的Bi@Zn界面在10 mA cm?2下展示了55 mV的低過(guò)電位和4700次循環(huán)壽命，顯著優(yōu)于其他候選金屬界面。這一發(fā)現(xiàn)為高性能水系鋅離子電池的開(kāi)發(fā)提供了新的思路和方法。

論文連接：https://doi.org/10.1002/adma.202209288

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