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固體所在水系鋅離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展

發(fā)布日期:2023-07-22 作者:李兆乾、王憶凡 瀏覽次數(shù):740

近期,中科院合肥物質(zhì)院固體所能源材料與器件制造研究部胡林華研究員團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展,通過(guò)在水系鋅鹽電解液中引入絲氨酸陽(yáng)離子(Ser+, C3H8NO3),實(shí)現(xiàn)鋅(100)面擇優(yōu)取向生長(zhǎng),有效抑制了鋅枝晶生長(zhǎng),極大提升了電池充放電可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性能。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊Advanced Energy Materials上。

水系鋅離子電池(AZIBs)因其高的安全性、可靠性、環(huán)境友好性和成本效益而引起了廣泛的關(guān)注。然而,鋅枝晶生長(zhǎng)會(huì)引起較差的可逆性,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)電池短路,是水系鋅離子電池商業(yè)化進(jìn)程的主要障礙。鋅(100)面具有較高的表面能,鋅負(fù)極的成核和沉積易沿[100]方向進(jìn)行,但較高的反應(yīng)活性會(huì)誘發(fā)副反應(yīng),損害鋅陽(yáng)極的可逆性和電池的循環(huán)穩(wěn)定性能。因此,抑制鋅[100]方向生長(zhǎng)可以有效地緩解枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng)的問(wèn)題。

研究人員構(gòu)建了一種采用絲氨酸(Ser)作為界面結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑的(100)面終止策略。通過(guò)絲氨酸陽(yáng)離子的吸附調(diào)節(jié),誘導(dǎo)Zn(100)織構(gòu)生長(zhǎng)并抑制副反應(yīng)發(fā)生。在5 mA cm-1和5 mAh cm-1的電鍍/剝離循環(huán)下,使用改性電解質(zhì)的Zn//Cu電池達(dá)到99.8%的平均庫(kù)倫效率,Zn//Zn對(duì)稱電池表現(xiàn)出800小時(shí)以上的循環(huán)穩(wěn)定性能。Zn//V2O5扣式電池展現(xiàn)出345.1 mAh g-1的高放電容量,并且在5 A g-1下循環(huán)2000次后仍保持255.4 mAh g-1。組裝的軟包電池也具備良好的穩(wěn)定性,顯示了Ser/ZnSO4電解液的實(shí)際應(yīng)用潛力。

該研究通過(guò)吸附絲氨酸離子對(duì)鋅離子在(100)表面遷移行為的調(diào)控,為分子水平上實(shí)現(xiàn)鋅陽(yáng)極優(yōu)勢(shì)織構(gòu)提供了一種有前景的策略,并有望應(yīng)用于其他穩(wěn)定性和可逆性差的金屬陽(yáng)極。

上述研究得到了合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金的支持。

論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202301517



圖1. 添加(左)和不添加(右)絲氨酸的鋅沉積行為示意圖。



圖2. (a) 10 mA cm-2下,Zn在Ser/ZnSO4電解質(zhì)中沉積的SEM形貌演變圖,比例尺:20 μm;(b) 10 mA cm-2下,在純ZnSO4(上圖)和Ser/ZnSO4(下圖)電解質(zhì)中沉積的Zn SEM形貌演化圖像,比例尺:100 μm;(c) Zn電極沉積0、15、30、45、60 min后的原位光學(xué)顯微鏡圖像(上方為ZnSO4電解液中,下方為Ser/ZnSO4電解質(zhì)中沉積);(d) 10 mA cm-2下,鋅在純ZnSO4(右)和Ser/ZnSO4(左)中沉積不同時(shí)間的XRD圖;(e-d)圖中(100)和(002)面之間的強(qiáng)度比;(f) Ser+吸附在Zn(002)、(100)、(101)表面的圖示及其相應(yīng)吸附能;(g) Ser+吸附在Zn晶面后,Zn離子在不同晶面上的吸附能。