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北理工团队在长循环水系锌离子电池研究中取得重要进展


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澳门威斯人游戏网址材料学院白莹教授研究小组在长循环水系锌离子电池研究中取得重要进展,10月2日,相关研究成果以“Suppressed water reactivity by zincophilic-hydrophobic electrolyte additive for superior aqueous Zn metal batteries”为题在国际知名期刊 Advanced Energy Materials 上发表。澳门威斯人游戏网址材料学院白莹教授、吴川教授和赵然助理研究员为本论文共同通讯作者,2020级博士研究生王亚辉为第一作者。

水系锌离子电池因其安全性高、成本低且绿色环保等特点被誉为下一代大规模储能技术强有力的竞争者。金属锌作为极具潜力的水系电池负极备受人们关注,但同时也面临着难以控制的副反应和有害的枝晶生长问题,这严重影响了其循环寿命和库仑效率,限制了其规模化应用。

为了解决这些问题,澳门威斯人游戏网址白莹教授研究小组提出了一种以乙基磺酰胺(ESA)作为多功能电解质添加剂的解决策略缓解锌金属负极所面临的问题,该添加剂不仅可以调节锌离子溶剂化结构,还可以优先吸附在锌负极表面,并在表面原位生成一种新型亲锌-微疏水界面,从而将负极与活性水分子隔离开来,有效抑制副反应的发生和枝晶的生长,极大提高电极的循环可逆性,其作用过程示意图如图1所示。

图1 ESA 改性前(左)和改性后(右)电解质中的锌沉积行为示意图。

得益于ESA对水反应性调制的三重效应,金属锌负极表现出了极佳的可逆性,在ZnSO4电解质体系中,以5 mA cm-2的电流密度实现了平均库伦效率99.92%的超高水平,添加了乙基磺酰胺(ESA)添加剂的Zn||Zn对称电池则实现了超过6000 h的长寿命循环。ESA添加剂的作用在Zn//MnO2全电池和锌离子电容器中都得到了进一步体现,在5C条件下,1000次循环后的容量保持率为81.60%,在5 A g-1条件下,50000次循环后的容量保持率为92.25%。此外,全电池在 0.1 C的条件下循环 120 周后,电容量保持率接近100%,表现出卓越的稳定性。这一策略为进一步开发以ZnSO4为基础的低成本电解质体系的水系锌金属电池提供了新的研究策略。有助于开发商业化的长寿命锌负极,促进水系锌离子电池的实际应用。

图2 ESA添加剂锌负极性能的提升作用

全文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202302707


附作者介绍:

赵然,材料学院助理研究员。2017年博士毕业于美国亚利桑那州立大学。主要从事多价金属离子电池关键材料的制备、性能与机理研究,包括锌离子电池、钙离子电池以及铝离子电池等。发表SCI收录论文26篇,申请专利5项,主持国家自然科学基金青年项目以及博士后面上项目。

吴川,教授,博士生导师,国家高层次人才,Science合作期刊Energy Material Advances副主编。主要关注能量储存与转体系及其关键材料,包括锂离子电池、钠离子电池、铝二次电池以及其他高性能二次电池新体系。作为负责人主持国家973课题、国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点、教育部博士点基金等科研项目。

白莹,教授,博士生导师,入选英国皇家化学会会士、教育部新世纪优秀人才。从事先进二次电池、轻质储氢等新型储能材料研究,主要包括锂/钠/锌电池等体系的关键材料、电极与电解质界面稳定性、电池热分析与热安全等基本科学问题。作为负责人主持国家863计划课题、国家自然科学基金、国家基础研发课题、国家重大专项课题等项目。


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