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このほど、中国科学技術大学工学科学学院熱科学・エネルギー工学科の談鵬教授チームは水系亜鉛電池分野で新たな進展を遂げ、研究チームはその場3 D pH可視化技術の開発に成功し、亜鉛電極反応界面pH場に対する3次元、その場、定量的なイメージングを実現した。研究成果は「Three-Dimensional Visualization of Chemical Stratificationand Pathological Redistribution in Aqueous Zinc Batteries」と題し、国際的に有名な定期刊行物「ACS Energy Letters」に発表され、表紙論文に選ばれた。

水系亜鉛電池はその真性安全、低コスト、環境に優しいなどの利点により、次世代の大規模エネルギー貯蔵に大きな潜在力を示している。しかし、水系電解液中の金属亜鉛負極の界面不安定性は商業化プロセスを深刻に阻害し、デンドライト成長、水素析出副反応、表面不動態化及び自己腐食などの問題が相互に結合し、電池サイクル寿命が理論的予想をはるかに下回った。実際、これらの故障挙動はすべて電極/電解液界面の局所化学微小環境、特にプロトン活性（すなわち局所pH）の動的発展に制御されている。局所酸性化環境は活性亜鉛の化学腐食を誘発しやすく、水素析出反応を激化させるが、局所塩基化は塩基性硫酸亜鉛や酸化亜鉛などの絶縁副生成物の生成を促進し、界面の不動態化と不均一な堆積をもたらす。界面pHは受動応答変数ではなく、亜鉛負極反応の選択性と進化方向を直接決定するコアパラメータである。そのため、界面化学環境の三次元進化過程をその場で捕捉できる特徴づけ方法を発展させ、電極安定性に対するその影響を深く理解することは、水系亜鉛電池の故障メカニズムを明らかにし、電池性能を高めることに重要な意義がある。

上記の問題に対して、研究チームは光学観測が可能な電気化学試験装置を設計し、電解液に蛍光pH指示剤を導入し、レーザー共焦点イメージング技術を通じて界面付近の電解液領域を層ごとに走査し、反応界面pH場の三次元空間におけるリアルタイムモニタリングと高精度定量再構成を実現した。

このツールを用いて、研究チームは亜鉛電極界面の化学環境をリアルタイムで監視した。まず、静置条件下で、三次元イメージングは重力方向に沿った明らかなpH階層、すなわち電極下方領域のpHが上方領域より著しく高く、600 sでpH差が約0.3に達することを明らかにした。さらに、対称亜鉛電池の定電流運転条件下でその場モニタリングを行い、電気溶解段階の界面下に急速に高pH領域が形成され、垂直pH勾配が急速に増大し、180 sで上下pH差が約0.6に達した、その後、堆積段階で緩和されたが、サイクル終了時には0.4以上を維持した。これらの結果は、亜鉛電極界面が静置中でも電気化学運転中でも安定した垂直化学層を形成することを示している。

研究チームは多物理場シミュレーションと結合して、システムはこの化学層化が重力結合物質の輸送制御の直接的な結果であることを明らかにし、そして1つの新しい電極故障メカニズムを明らかにした：化学勾配駆動の活物質再分布。具体的には、上部の低pHと低Zn 2+濃度は水素析出腐食と溶解反応を加速させ、下部の高pHと高Zn 2+濃度は水素析出腐食を抑制し、亜鉛析出を促進した。循環が進むにつれて、この差異駆動活性亜鉛は垂直方向に移動し、最終的に「上部空乏-下部富化」の構造分化を形成し、電極の故障を引き起こす。

この仕事は水系亜鉛電池界面の化学層化の三次元可視化に成功し、化学勾配駆動の亜鉛電極活物質再分布メカニズムを明らかにし、水系亜鉛電池中の金属負極の故障メカニズムに新しい見解を提供するだけでなく、他の水系金属電池の理性的な設計にも普遍的な指導を提供した。

論文の第1著者は趙忠喜、陳永堂、通信著者は談鵬教授で、この仕事は国家自然科学基金青年学生基礎研究プロジェクト（523 B 2061）、国家革新人材計画青年プロジェクト（GG 2090007001）の援助を得た。