北理工團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)循環(huán)水系鋅離子電池研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-10-11 供稿：材料學(xué)院 攝影：材料學(xué)院
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北京理工大學(xué)材料學(xué)院白瑩教授研究小組在長(zhǎng)循環(huán)水系鋅離子電池研究中取得重要進(jìn)展,，10月2日,，相關(guān)研究成果以“Suppressed water reactivity by zincophilic-hydrophobic electrolyte additive for superior aqueous Zn metal batteries”為題在國(guó)際知名期刊 Advanced Energy Materials 上發(fā)表。北京理工大學(xué)材料學(xué)院白瑩教授,、吳川教授和趙然助理研究員為本論文共同通訊作者,，2020級(jí)博士研究生王亞輝為第一作者。
水系鋅離子電池因其安全性高,、成本低且綠色環(huán)保等特點(diǎn)被譽(yù)為下一代大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者,。金屬鋅作為極具潛力的水系電池負(fù)極備受人們關(guān)注，但同時(shí)也面臨著難以控制的副反應(yīng)和有害的枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題,，這嚴(yán)重影響了其循環(huán)壽命和庫(kù)侖效率,，限制了其規(guī)模化應(yīng)用,。
為了解決這些問(wèn)題,，北京理工大學(xué)白瑩教授研究小組提出了一種以乙基磺酰胺（ESA）作為多功能電解質(zhì)添加劑的解決策略緩解鋅金屬負(fù)極所面臨的問(wèn)題，該添加劑不僅可以調(diào)節(jié)鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu),，還可以?xún)?yōu)先吸附在鋅負(fù)極表面,，并在表面原位生成一種新型親鋅-微疏水界面，從而將負(fù)極與活性水分子隔離開(kāi)來(lái),，有效抑制副反應(yīng)的發(fā)生和枝晶的生長(zhǎng),，極大提高電極的循環(huán)可逆性，其作用過(guò)程示意圖如圖1所示,。
圖1 ESA 改性前（左）和改性后（右）電解質(zhì)中的鋅沉積行為示意圖。
得益于ESA對(duì)水反應(yīng)性調(diào)制的三重效應(yīng),，金屬鋅負(fù)極表現(xiàn)出了極佳的可逆性,，在ZnSO4電解質(zhì)體系中，以5 mA cm-2的電流密度實(shí)現(xiàn)了平均庫(kù)倫效率99.92%的超高水平,，添加了乙基磺酰胺（ESA）添加劑的Zn||Zn對(duì)稱(chēng)電池則實(shí)現(xiàn)了超過(guò)6000 h的長(zhǎng)壽命循環(huán),。ESA添加劑的作用在Zn//MnO2全電池和鋅離子電容器中都得到了進(jìn)一步體現(xiàn)，在5C條件下,，1000次循環(huán)后的容量保持率為81.60%,，在5 A g-1條件下，50000次循環(huán)后的容量保持率為92.25%,。此外,，全電池在 0.1 C的條件下循環(huán) 120 周后,，電容量保持率接近100%，表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性,。這一策略為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以ZnSO4為基礎(chǔ)的低成本電解質(zhì)體系的水系鋅金屬電池提供了新的研究策略,。有助于開(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 ESA添加劑鋅負(fù)極性能的提升作用
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202302707
附作者介紹：
趙然,，材料學(xué)院助理研究員。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26篇，申請(qǐng)專(zhuān)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,、電極與電解質(zhì)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(zhuān)項(xiàng)課題等項(xiàng)目,。
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