鋅金屬電池的案例
武大&華科《AFM》：S與Se協同效應增強水系鋅金屬電池性能！
在這方面，含水鋅金屬電池是最有吸引力的候選電池之一，因為鋅具有理論容量高、導電性好、電位適當和本質安全的優點。由于水電解質的窗口狹窄，水基金屬電池的能量密度遠低于非水電池；盡管如此，一些開創性的工作已經通過使用“鹽中水”電解質成功地拓寬了水電解質的窗口。因此，開發具有高容量和操作潛力的先進負極有望提高其能量密度。另一方面，開發高容量的鋅水電池正極材料有望提高其能量密度，但也具有很大的挑戰性。
來自武漢大學汪的華，華中科技大學蔣凱團隊提出并系統研
究了三種硒硫固溶體及其復合物(SeS14@3D-NPCF、SeS5.76@3D-NPCF和SeS2.46@3D-NPCF)。由于硒的引入及其與硫的協同效應，它們的物理和電化學性質受到影響。特別是，通過優化這些復合材料中的硒含量，SeS5.76@3D-NPCF顯示出1222 mAh/g的容量和0.71V(0.2A/g)的穩定電壓，達到867.6 Wh/kg(基于SeS5.76)的超高能量密度，5A/g時713 mAh/g的卓越額定容量，以及500次循環后75%容量保持率的穩定循環。此外，鋅的儲存動力學由放電過程決定，在此過程中Se5.76@3D-NPCF轉化為硒化鋅和硫化鋅。更重要的是，理論計算表明Se可以調整S的電子密度分布、能帶結構和反應能，從而提高其導電性和反應性，進而促進與Zn的電化學反應。這項工作探索了高性能轉換負極材料的水鋅金屬電池，并提出了一個高效策略用以改變其內在性質。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202101237
圖1|a)光學照片，b)電導率，c)XRD。
展開 河工大《AFM》：一種簡單有效的鋅金屬電極酸蝕改性方法！
其中，水基鋅金屬電池因其理論容量高(820mAh g?1或5855mAh cm?3)和低還原電位(?0.76V對標準氫電極)而備受關注。然而，鋅金屬電池仍存在一些關鍵問題，如枝晶生長失控、電解液腐蝕嚴重、析氫低等。電沉積不均勻和耐蝕性差是獲得穩定鋅金屬陽極的根本障礙。電極表面/界面的特性與其性能密切相關。
來自河北工業大學等單位的學者通過一種簡單的酸蝕方法對(002)Zn面裸露的Zn表面進行改性，原位生成的鋅化合物在鋅電極上形成了一個界面層，具有很強的粘附性，可以增強鋅離子的動力學，從而調節鋅電極的沉積/溶解行為。本文選擇了多種具有功能性陽離子的酸，其中磷酸對鋅的蝕刻具有更高的織構程度，并產生更致密的層。所制得的磷酸鋅電極在對稱型和全鋅金屬電池中具有穩定的循環性能和快速的動力學性能。本研究為高性能水基金屬鋅陽極的表面和界面聯合改性提供了一個新的實例。
展開 Mater: 用于含水電池的高度可逆的鋅金屬陽極
【引言】
金屬鋅（Zn）因其理論容量高（820 mAhg-1），電位低（相對于標準氫電極為-0.762
V），資源豐富，低毒性被認為是水系電池的理想負極材料。然而，堿性電解質中的鋅負極持續遭受由其沉積/溶解的低庫侖效率（CE），循環過程中的樹枝狀晶體生長，持續的水消耗和不可逆的副產物如氫氧化鋅或鋅酸鹽引起的嚴重不可逆性問題。雖然中性電解質中鋅枝晶的形成可以被最小化，但其低庫侖效率仍然是一個嚴峻的挑戰。在大多數之前的報道中，必須使用高充電/放電速率來減少可逆性對循環壽命的影響，并且經常需要定期補充電解質以補償水分解。鋅還必須大量過量使用以補償其副反應的消耗量，這導致其理論比容量未被充分利用。因此，鋅負極的開發仍然面臨巨大的挑戰。
【成果簡介】
近日，美國馬里蘭大學的王春生教授聯合美國陸軍實驗室許康研究員（共同通訊作者）報道了高濃度的Zn離子電解質（以下稱為HCZE）。王飛博士（自然材料文章的第一作者）利用高濃度的基質電解液中（1 mol Zn(TFSI)2 + 20 mol LiTFSI），Zn負極的庫倫效率達到接近100%，意味著非常好的可逆性。以Zn為負極，LiMn2O4或O2為正極進行電池測試，使Zn電池具有前所未有的可逆性。前者功率為180Whkg-1，4000次循環下仍保持80％的容量，而后者的輸出功率為300 W h kg-1，循環次數大于200次。結構和光譜研究結合分子動力學模擬表明，這種優異的Zn可逆性源于高濃度含水電解質中Zn2+獨特的溶劑化結構。由于TFSI陰離子的高濃度，迫使它們進入Zn2+附近，從而形成緊密離子對 (Zn-TFSI)+，并顯著抑制(Zn-(H2O)6)2+的存在。這一機理為高效利用鋅提供了一條新的途徑，可用于高安全性的先進能源儲存應用，并可能用于其他多價陽離子電池，這些多價陽離子通常具有較差的可逆性和緩慢的動力學問題。
展開 『水系鋅電』中南大學潘安強/常智教授團隊Small：Maxwell極化電場優化鋅離子傳輸行為和溶劑化結構助力高性能水系鋅離子電池
研究背景
在各類二次電池中，以鋅金屬作為負極的水系鋅離子電池具有成本低，資源豐富、安全無毒、理論比容量高等綜合優點,被認為是最有潛力的大規模儲能電池體系。然而，鋅金屬負極的枝晶與腐蝕問題，損害著電池壽命，阻礙其走向應用。由于鋅金屬的枝晶和腐蝕問題與鋅離子的傳輸行為和溶劑化結構都有關，所以鋅負極優化的關鍵在于同時調控鋅離子的傳輸行為和溶劑化結構。
基于此，中南大學潘安強/常智教授團隊發現由無機鐵電材料誘發的Maxwell–Wagner極化電場，可一方面引導鋅離子進行有序遷移，均勻沉積，另一方面可去除鋅離子溶劑鞘結構中的水分子，抑制腐蝕，提高電極可逆性。受益于這種協同作用，鋅負極在Maxwell–Wagner極化電場的作用下，Zn||Zn和Zn||Cu電池中分別表現出1400 h的循環壽命和99.9%的高庫侖效率。水NH4V4O10||Zn在2000個循環中容量保持132 mA h g-1。組裝的軟包電池性能優越，在嚴苛的條件下，可以穩定循環超150圈，無明顯產氣和漏液現象。其成果以題為 "Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries" 在國際著名期刊Small上發表。
展開 
ETH團隊設計，制造透明可拉伸的水凝膠鋅離子電池
（b）最終的完整電池，（c）機械彎曲，（d）扭曲和（e）拉伸的照片。
圖
5.
（a）不銹鋼/電解質/不銹鋼電池中以鋅箔為參比電極的PAM水凝膠電解質的CV曲線，掃描速率為0.2至2.0 V之間的0.2 mV s
–1
。（b）CV曲線 以1 mV s–1處的鋅陽極（紅線）和α-MnO2陰極（藍線）的角度，其中PAM水凝膠電解質介于兩者之間，并且以鋅箔作為參比電極。（c）完全組裝的透明全電池的透光率和照片（插圖）。（d）透明無應變電池的前五個循環的CV曲線，掃描速度為0.1 mV s
–1
，介于1和1.8 V之間。（e）透明無應變電池在1 C電流密度下的循環性能。（f）透明無應變
電池在
1 C，電流密度為1 C時的第1次，第10次，第100次和第120次循環的GCD曲線。
圖
6.
（a）透明鋅離子電池在50％應變下的照片。（b）頂部電極在50％應變下的光學顯微鏡圖像。（c）在0–50％應變下整個細胞的透光率。（d）透明電池在0–50％應變下的GCD分布圖，并在1 C的電流密度下釋放到初始狀態。（e）透明電池在0–50％應變下在120循環下的循環性能 電流密度為1C。（f）透明鋅離子電池在0–50％應變下的奈奎斯特圖。
參考文獻
：
doi.org/10.1021/acsaem.1c00958
版權聲明
：「
高分子材料科學
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【往期回顧】
《J. Mater. Chem.
展開 北大潘鋒團隊在可充放電鋅離子電池及關鍵材料研發取得進展
鋅具有最低的電化學勢（-0.76V vs SHE），體積能量密度是金屬鋰的3倍，并且在地殼中儲量豐富、環境友好，因此鋅是一種理想的負極材料。與鋰離子電池相比，水體系工作的鋅離子電池具有更高的安全性及更低的成本，適用于大規模能量存儲領域。
但是，鋅負極在循環充放電的過程中比金屬鋰更易形成枝晶，電池短路的風險極大，因此目前實際應用的鋅離子電池都是單次使用的一次電池，而非像我們手機使用的可循環充放的鋰離子電池。參考鋰離子電池領域，采用Zn固態電解質替代電解液有望實現Zn的均勻沉積并抑制枝晶生長，從而推廣Zn金屬二次電池的應用。遺憾的是，由于二價Zn2+與晶格作用較強，目前尚未發現室溫下Zn2+離子電導率較高的固態材料。
北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊利用金屬-有機框架材料（MOFs）具有利于離子快速遷移、高度可設計的有序孔道結構，首次研發成功基于MOFs的Zn-單離子導體固態電解質實現可穩定充放電循環的鋅離子電池。相關成果發表于近期的國際材料與能源知名雜志Nano Energy（doi：j.nanoen.2018.11.038, 影響因子13.3）。
團隊利用離子化后修飾及離子交換等手段，成功地制備了基于MOF-808的Zn2+固態電解質（WZM）（材料的制備過程如下圖所示）。它是一種固態的單Zn2+離子導體，室溫電導率高達0.21 mS?cm-1，Zn2+離子遷移數為0.93，電化學窗口為2.20V，滿足所有已知的鋅離子電池正極材料。這與在電解液中的沉積形貌不同（圖e），在WZM固態電解質的作用下，鋅的沉積均勻、致密且沒有枝晶（圖f）。
通過對比研究發現，這種優良的沉積形貌得益于帶負電的MOF孔道對Zn2+的限制和誘導沉積機制。他們利用WZM固態電解質組裝了Zn|WAM|VS2固態電池并進行了測試。
展開 助力高性能耐用可充鋅-空氣電池
此外，當氧化鈷-30用作可充電液體和QSS鋅酸鹽的陰極電催化劑時，獲得了比貴金屬基鉑/碳+銥催化劑更高效和穩定的電池性能。本研究提供了一種簡單高效的方法，通過設計結晶度和調整氧空位濃度來提高電催化性能。設想所提出的真空煅燒策略可以廣泛應用于其它過渡金屬氧化物，以產生無定形結構和氧空位，從而用于能量儲存和轉化。（文：SSC）
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展開 深大《AFM》：首次提出一種二維納米材料實現高性能鋅離子電池
這項工作為先進的自組裝電池的高性能陰極材料的設計提供了關鍵的策略。
與傳統鋰離子電池相比，水基鋅離子電池(ZIB)在成本、運行安全性和環境友好性方面都有所提高，被認為是一種很有前途的儲能技術
。然而，ZIB的普及受到其相對較低的能量密度的阻礙。即使使用優化的電解質，大多數zib的工作電壓也限制在2.0伏左右，遠低于有機鋰離子電池(> 3.0伏)。具有超高電導率和豐富表面化學的V2C MXene的出現為構建這種高性能ZIBs提供了巨大的機遇。然而，迄今為止，很少有關于使用V2CTx作為ZIBs陰極的報道，因為V2CTx表現出不合理的低放電容量。
深圳大學的黃楊博士、Wang Zhang博士和伍倫貢大學的Shulei Chou教授等人，提出了一種通過在一定電位下初始充電來原位電化學活化V2CTx陰極的策略。相關論文以題為“In‐Situ Electrochemically Activated Surface Vanadium Valence in V2C MXene to Achieve High Capacity and Superior Rate Performance for Zn-Ion Batteries”發表在Advanced Functional Materials上。
論文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008033
研究結果發現表面釩原子經歷電化學氧化，并在初始充電過程中轉化為VOx，導致釩價從V2+/V3+顯著上升到V4+/V5+。同時，通過精確控制充電電壓和保持時間，可以很好地保持內部導電的V-C-V多層結構。
展開 索爾維向鋰金屬電池公司Sepion投資 實現鋰金屬電池商業化
今年3月，加利福尼亞能源委員會（California Energy Commission）向Sepion資助140萬美元，以推動其安全無陽極混合鋰金屬電池的開發，從實驗室規模驗證到預原型。該項目將持續到2024年3月，會增強兩個關鍵組件電解質和集電器，從而顯著提高鋰金屬電池的安全性、循環壽命、快速充電能力和成本。
Sepion隔膜與優化電解質存在協同作用，可將進一步區分該項目中的混合鋰金屬電池，并將全電池設計從技術就緒水平（TRL）4提升到6。Sepion將與全球領先汽車制造商一起生產和驗證原型鋰金屬電池。
-END-
展開 KAUST開發新電解質和電極 可使鋅離子電池在2000次循環后保持穩定容量
蓋世汽車訊 鋅離子電池在使用過程中會迅速降解退化，使其發展受限。據外媒報道，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究團隊開發了一種新電解質和電極組合，可從不同方面提高鋅離子電池的性能，尤其是在多次充放電循環后保持穩定性。
（圖片來源：KAUST）
為了解決這些問題，該團隊開發了一種鹽濃度很高的水電解質。在該溶液中，越多的鹽離子與周圍水分子結合，能夠破壞電極的游離水分子就越少。通常情況下，鋅鹽在水中的溶解度較低。該團隊通過加入鈉，以產生含高氯酸鋅和高氯酸鈉的高濃度電解質。研究人員Zhu表示：“我們發現這種組合提供了非常高的溶解度，可以抑制水分活性。同時，不會降低鋅離子電池的關鍵特性，包括高離子導電性、安全性或環境友好性。”
除了創新電解質，該團隊還開發了一種全新納米纖維基正極材料。研究人員Alshareef表示：“納米纖維形態能夠促進離子擴散，使水性鋅離子電池保持更快的充放電速率。”在測試過程中，經過2000多次充電循環，電池幾乎未出現容量衰減。“這種電解質和電極組合，有潛力解決傳統水性鋅離子電池存在的問題。”
連接可再生能源（如太陽能裝置或風力田）的固定電池組，是現有化石燃料供電電網轉型的關鍵。筆記本電腦或電動汽車等應用，對電池尺寸和重量要求較高。與這些移動應用中的電池不同，固定電池相對較大且重，因此可能采用替代鋰離子電池的可充電電池技術。
以鋅離子水基溶液為核心的電池，具有高容量、低成本和無毒等優點，在固定存儲方面表現出巨大的潛力。
展開 中南大學梁叔全、周江ACS Energy Letters綜述：水系鋅離子電池最新進展
【引言】
雖然目前高能量密度的鋰離子電池占據了大部分商用充電電池市場，但是幾個關鍵因素，如鋰資源匱乏、制作成本高、有機電解液不安全等，限制了它們的進一步發展，特別是在大規模儲能系統的應用。可充電水系鋅離子電池（ZIBs）具有成本低、運行安全性高、環境友好等優點，在大規模儲能系統的應用上具備明顯的潛力。目前，已經報道了許多有意義的關于水系ZIBs的工作，包括金屬鋅負極，電解液，正極材料（如：錳基氧化物，普魯士藍衍生物，釩基氧化物，聚陰離子化合物，Chevrel相化合物，有機正極材料等）。但是，水系ZIBs的發展仍然存在巨大的挑戰。因此，我們對水系ZIBs進行了全面的概述，著重介紹了水系ZIBs的最新進展、挑戰和未來展望，希望能助力水系ZIBs的快速發展。
【成果簡介】
近日，中南大學梁叔全、周江等人在ACS Energy Letters 上發表了題為“Recent Advances in Aqueous Zinc-Ion Batteries”的綜述文章。該文章綜述了水系ZIBs的最新進展：首先，作者對水系ZIBs的儲能機理進行了系統的分析和總結；其次，對各種正極材料、鋅負極和電解液的優點和存在的問題以及優化策略進行了討論；最后，針對目前水系ZIBs存在的問題，作者在未來的研究方向方面為今后的水系ZIBs研究提供指導。方國趙博士為論文的第一作者；周江特聘教授、梁叔全教授為論文的共同通訊。
展開 
大連化物所《AFM》：這種膜讓鋅基液流電池高容量長壽命！
然而，由于ZFBs使用的是低成本的鋅(Zn)作為負極，限制其廣泛應用的主要障礙之一是臭名昭著的Zn樹枝/堆積問題，因為不受控制的Zn樹枝晶可能會穿透薄膜，最終導致電池短路。可充電鋅基水溶液液流電池(ZFBs)是一種很有前途的大規模儲能設備候選材料。然而，來自鋅枝晶的挑戰和有限的面積容量極大地阻礙了它的廣泛應用。
來自中科院大連化物所等單位的研究人員，構建了一種原位垂直生長的層狀雙氫氧化物薄膜(LDH-G)，以實現長壽命的ZFBs。由于LDH納米片具有高的氫氧化物離子導電性和離子選擇性，特別是通過精確控制垂直排列的LDH的定向離子傳輸，可以實現優異的電池性能。此外，無缺陷的LDHs層用作緩沖層，以實現均勻的Zn沉積，從而極大地提高了電池的面積容量。
結果表明，所設計的膜使堿性鋅鐵液流電池具有優異的倍率性能和循環穩定性，在260mA cm?2下循環800次，能量效率可達80%，是目前報道的最高性能。最重要的是，LDHs層能使電池長周期穩定工作1200h，并且鋅沉積均勻、面積容量高達240mAh cm?2。本工作實現了在聚合物襯底上原位生長三維LDHs陣列，為ZFBs的高面容量和無枝晶沉積提供了一種策略。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102167
圖1.a)LDH-G制備示意圖。
圖2.
展開 .: 應用于鋅-空電池中的一種新型高效的陰極催化劑
【引言】
鋅-空電池利用空氣中的氧氣作為正極電化學反應活性物質，使用金屬鋅作為負極電化學反應活性物質，具有能量密度高、資源豐富、反應活性物質綠色無污染等特點，是電能轉換和大規模儲存的首選技術之一。與一次性的鋅-空電池相比，電化學可充的二次鋅空氣電池更符合純電動汽車、電力儲能等場合的需求，近年來受到更多研究人員的關注。為了滿足空氣電極在室溫條件下進行OER/ORR電化學反應，需要使用催化劑降低氧化還原反應的能壘，減小反應過程極化，提高充電/放電過程的電流密度。Pt和Pt基材料傳統上被認為是用于氧還原（ORR）的最佳活性催化劑，但氧化物層的形成導致氧析出（OER）活性有限，Ir和Ru基材料對于OER是有效的，但對于ORR不起作用。因此，開發更有效、耐用和廉價的雙功能催化劑來取代貴金屬材料是非常必要的。
【成果簡介】
近日，上海理工大學韓三燦老師（第一作者），朱鈺方教授以及復旦大學方曉生教授（共同通訊作者）團隊，在Advanced Energy Materials發表一篇題為“Novel Route to Fe–Based Cathode as an Efficient Bifunctional Catalysts for Rechargeable Zn–Air Battery”的文章。該團隊在不同溫度和前驅物比例的條件下成功合成雙功能FeNx / C催化劑,其中α-Fe2O3納米片被用作Fe前驅體和模板以防止碳片聚集，并且瓊脂糖在熱解期間保持Fe基顆粒的有效分離。在所有這些樣品中，FeNx / C-700-20（700代表煅燒溫度，20代表[尿素]/[α-Fe2O3]的質量比）催化劑在堿性介質中顯示出更優異的ORR和OER活性，耐久性和對甲醇的耐受性。
展開 ：凝膠電解質官能團助力鋅金屬（002）晶面成核
水系鋅離子電池（ZIBs）由于其元素儲量豐富、不易燃、低毒、高能量密度，環境友好和易于制造的工藝等特點被認為是下一代能源存儲系統的理想選擇。然而，鋅電極表面的枝晶生長和副反應（如腐蝕、析氫反應）顯著降低ZIBs的庫倫效率和循環穩定性，阻礙了其實際應用的價值及可行性。誘導電化學過程中鋅離子沿(002)晶面外延沉積是提高鋅負極可逆性有效策略，但現有的方法主要通過液態電解質中的離子誘導或者引入石墨烯誘導：前者易于泄露，不能平衡高電化學性能與安全性的問題；而后者工藝相對復雜并且不易匹配當前柔性可穿戴器件的高安全性、低成本及多樣化要求。因此，如何開發一種能夠驅動鋅離子均質外延沉積以提供高電化學性能并能用于集成柔性器件的材料是當前推進ZIBs進一步發展面臨的關鍵挑戰。
東華大學武培怡課題組前期圍繞優化電解質結構以穩定鋅負極領域已經開展了一些工作：從調控鋅離子沉積動力學角度出發，將低成本的DMSO作為電解液添加劑同時實現了對鋅離子溶劑化結構和體系氫鍵的調控，改善了電化學過程中鋅離子的成核行為，延長了ZIBs的壽命，拓寬了電池的工作溫度范圍（Small 2021, 17, 2103195）；從優化電極與電解質界面的角度出發，利用可生物降解的再生纖維素制備具有界面自適應粘塑性凝膠電解質，實現了電解質與電極界面的“互鎖”，并通過調控鋅離子的溶劑化結構，引導鋅的同質外延均勻沉積（Nano Res. 2021, DOI : 10.1007/s12274-021-3770-8）。
展開 北京化工大學《AEM》：一種新型催化劑助力高性能鋅空氣電池！
-空氣電池）中的重要半反應。
