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  • 我所開發出超低溫無負極鋅離子電池

    近日,我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠帥研究員團隊和韓國延世大學Sang-Young Lee教授、高麗大學Sang Kyu Kwak教授等合作,在超低溫鋅離子電池研究中取得新進展。合作團隊在水系電解質中引入軟酸/硬堿兩性離子,增強了電解質-電極界面的抗凍性質,以此構建出無負極、超低溫鋅離子全電池。

    鋅離子電池作為一種高安全、低成本新型電化學儲能器件,受到了廣泛關注。從2017年開始,508組研究團隊在高性能鋅離子電池關鍵材料與器件研制方面開展了較為系統的研究:開發出高活性位點、高容量和高倍率V2O5/石墨烯二維材料(Adv. Energy Mater.,2020;Energy Storage Mater.,2020),構建了快速離子-電子網絡結構;提出了模板法合成了一系列二維介孔材料,有效調控了電極-電解質界面,構建了無枝晶高穩定鋅負極(Small,2022;Nat. Commun.,2021);發展了絲網印刷、3D打印、微流控輔助、模板輔助技術,構建了高容量鋅離子微型電池/電容器(Natl. Sci. Rev.,2020;Adv. Energy Mater.,2022;Adv. Energy Mater.,2023;Adv. Energy Mater.,2020)等。然而,低溫下水活度降低、電解液粘度增加、界面反應動力學及傳質動力學緩慢等問題,導致了界面處嚴重的濃差極化。同時,陰陽離子之間的靜電作用力的增大,導致水系電解液低溫下容易固化,進而阻礙了低溫下的離子遷移以及電解液低溫下(<-30℃)的熱力學穩定性。因此,如何發展低溫下高離子電導的水系電解液,以此構建低溫環境下的高性能鋅離子電池,仍面臨很大挑戰。

    本工作中,合作團隊提出了一種通過兩性離子重組水系電解質溶劑化結構的新策略,增強了電解質-電極界面的抗凍性質和 Zn2+脫溶劑化動力學。團隊根據軟硬酸堿(HSAB)原理系統地探索了軟酸/硬堿兩性離子的分子界面相互作用,優化并篩選出弱酸性陽離子和強堿性陰離子結合的2-(三甲基銨基)乙酸酯(TAA,[N(CH3)3] +CH2[COO]-)為最佳兩性離子。研究發現,在水系電解質(三氟甲磺酸鋅鹽,Zn(OTf)2)中,TAA可以與水分子以及從 Zn(OTf)2鹽中離解出的陽離子/陰離子配位,從而破壞了水分子氫鍵網絡,削弱了 Zn2+-OTf-的相互作用,破壞了溶劑化殼的穩定性。該電解質(4m Zn(OTf)2 + 3m TAA)增強了低溫下抗凍性質,固液轉變溫度降至 -95℃。利用此電解質,Zn||Cu非對稱電池實現了穩定的鋅沉積/溶解,在25 ℃-40 ℃下,實現了99.93%99.8%的高庫倫效率。進一步,團隊構建的無陽極鋅離子電池即使在-40 ℃下,仍能提供高能量密度142Wh/kg和高功率密度230W/kg。該工作為構建超低溫、無負極鋅離子全電池提供了新思路。

    相關研究成果以“Restructuring of aqueous electrolytes using a soft-acidic/hard-basic zwitterion for low-temperature anode-free Zn batteries”為題,發表在《能源與環境科學》(Energy & Environmental Science)上。上述工作得到國家自然科學基金、我所創新基金等項目的資助。(文/圖 王瀟)

    文章鏈接:https://doi.org/10.1039/d3ee02535g

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