北理工團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-01-19 供稿：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院白瑩教授研究小組在水系鋅離子電池負(fù)極保護(hù)方面取得重要進(jìn)展。1月4日，相關(guān)研究成果以“Stabilizing Zn Metal Anodes via Cation/Anion Regulation towards High Energy Density Zn-Ion Batteries”為題發(fā)表在材料類國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Energy Materials》。北京理工大學(xué)材料學(xué)院白瑩教授與吳川教授為本論文共同通訊作者，博士后趙然為第一作者。
水系鋅離子電池安全性高、成本低且綠色環(huán)保，是下一代大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，是服務(wù)“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)“新能源+儲(chǔ)能”的重要途徑。由于鋅資源在我國(guó)儲(chǔ)量充沛、金屬理論容量高且具有合適的電極電位，鋅金屬在負(fù)極領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，鋅的沉積與剝離伴隨著鈍化、腐蝕、析氫等副反應(yīng)的發(fā)生和不均勻鋅沉積造成的枝晶生長(zhǎng)，導(dǎo)致電池容量衰減、低庫(kù)侖效率和壽命受限。
針對(duì)這一問(wèn)題，北京理工大學(xué)白瑩教授研究小組使用三維孔徑相同的微孔材料作為人工界面層，通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)陽(yáng)離子和陰離子流抑制副反應(yīng)的發(fā)生并實(shí)現(xiàn)了鋅離子的均勻沉積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果、DFT以及COMSOL理論模擬計(jì)算表明，微孔沸石有效阻礙了電解液中硫酸根在鋅金屬表面的聚集，從而抑制了Zn4(OH)6SO4·xH2O的形成；沸石的使用均勻了負(fù)極表面的鋅離子流以及電場(chǎng)分布，同時(shí)，其骨架中的氧元素與鋅離子相互作用，誘導(dǎo)無(wú)枝晶鋅（002）沉積；帶負(fù)電的沸石分子篩骨架通過(guò)靜電作用吸引溶劑中的鋅離子，減弱了負(fù)極側(cè)的濃差極化，使電極的過(guò)電位降低。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果與離子傳輸機(jī)理如圖1所示。
圖1 沸石分子篩保護(hù)功能研究以及離子傳輸示意圖
得益于保護(hù)層的多重功能，修飾后的鋅負(fù)極性能得到極大的提升。對(duì)稱電池實(shí)現(xiàn)了2400小時(shí)的長(zhǎng)循環(huán)（5 mA cm-2/2 mAh cm-2）、超過(guò)500小時(shí)的深度鋅沉積/剝離和高電流密度（100 mAh cm-2）耐受性；與二氧化錳組裝的全電池表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（如圖2），在充放電過(guò)程中產(chǎn)生了較少的副反應(yīng)產(chǎn)物，表現(xiàn)出較低的界面電阻，7500次循環(huán)后容量保持率高達(dá)76.4%；利用該種保護(hù)層構(gòu)建的無(wú)負(fù)極電池顯示出192.8 Wh kg-1的高能量密度（基于全電池中所有活性電極材料質(zhì)量）。以上結(jié)果為鋅金屬負(fù)極保護(hù)策略提供了新的研究思路，使用性能優(yōu)異、成本低、環(huán)保、工業(yè)制造技術(shù)成熟的沸石作為人工界面，有利于開(kāi)發(fā)商業(yè)化的長(zhǎng)壽命鋅負(fù)極，促進(jìn)水系鋅離子電池的實(shí)際應(yīng)用。
圖2 人工界面層對(duì)全電池性能的提升作用
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202203542
附作者介紹：
趙然，材料學(xué)院博士后。2017年博士畢業(yè)于美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)。主要從事多價(jià)金屬離子電池關(guān)鍵材料的制備、性能與機(jī)理研究，包括鋅離子電池、鈣離子電池以及鋁離子電池等。發(fā)表SCI收錄論文21篇，申請(qǐng)專利5項(xiàng)，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目以及博士后面上項(xiàng)目。
吳川，教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家高層次人才，Science合作期刊Energy Material Advances副主編。主要關(guān)注能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)體系及其關(guān)鍵材料，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋁二次電池以及其他高性能二次電池新體系。作為負(fù)責(zé)人主持國(guó)家973課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)、教育部博士點(diǎn)基金等科研項(xiàng)目。
白瑩，教授，博士生導(dǎo)師，入選英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才。從事先進(jìn)二次電池、輕質(zhì)儲(chǔ)氫等新型儲(chǔ)能材料研究，主要包括鋰/鈉/鋅電池等體系的關(guān)鍵材料、電極與電解液界面穩(wěn)定性、電池?zé)岱治雠c熱安全等基本科學(xué)問(wèn)題。作為負(fù)責(zé)人主持國(guó)家863計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家基礎(chǔ)研發(fā)課題、國(guó)家重大專項(xiàng)課題等項(xiàng)目。
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