水系鋅離子電池
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-18
水系鋅離子電池的實(shí)例教程
實(shí)驗(yàn)與模擬證明，鋅離子在這種極化電場(chǎng)的作用下可以進(jìn)行有序遷移，在接近鋅金屬表面之前，水合鋅離子溶劑鞘中的水分子逐漸被脫去，從而減少鋅枝晶和副產(chǎn)物的生成。在極化電場(chǎng)作用下，鋅負(fù)極的壽命得以延長(zhǎng)17倍。組裝的水系鋅離子電池(包括：
NH
4
V
4
O
10
||Zn
;
MnO
2
||Zn
)都表現(xiàn)出明顯提升的電池性能。值得注意地，組裝的錳基軟包電池，在極化電場(chǎng)作用下，即使在
高面容量(10 mAh cm-2)、低N/P容量比(7.5：1)的嚴(yán)苛條件下，仍能
穩(wěn)定循環(huán)150圈并保持有87.9%的容量。
這種基于Maxwell極化電場(chǎng)的策略同樣有潛力適用在其他二次金屬電池上。
展開(kāi) 水系鋅離子電池由于其高安全性和低成本的特點(diǎn)，在新一代可穿戴電池領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而傳統(tǒng)的水系鋅離子電池中枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng)問(wèn)題嚴(yán)重影響了鋅負(fù)極的可逆性，大大降低了電池的循環(huán)壽命。另外，水系電解液較高的凝固點(diǎn)也限制了其在低溫下的進(jìn)一步應(yīng)用。
基于上述背景，東華大學(xué)武培怡團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種將低成本的二甲基亞砜（DMSO）作為水系鋅離子電池電解液添加劑的策略，制備了ZnSO4-DMSO/H2O混合電解液。DMSO的加入重構(gòu)了Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了Zn2+的沉積動(dòng)力學(xué)，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋅枝晶和副反應(yīng)抑制。同時(shí)，DMSO通過(guò)調(diào)節(jié)水的氫鍵降低了電解液的冰點(diǎn)，使鋅離子電池在寬溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能：對(duì)稱Zn/Zn電池分別在20℃和-20℃能夠穩(wěn)定電鍍/剝離超過(guò)2100 h和1200 h，Zn/MnO2電池在20℃和-20℃能夠分別穩(wěn)定充放電超過(guò)3000個(gè)循環(huán)和 300個(gè)循環(huán)。
圖1. DMSO添加前后Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)及沉積行為的相應(yīng)示意圖。
作者通過(guò)紅外、拉曼光譜及核磁共振譜詳細(xì)表征了DMSO添加劑對(duì)混合電解液氫鍵和Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)的影響：1）體系中的氫鍵重構(gòu)，原H2O與H2O之間的氫鍵（H-O····H-O）被破環(huán)，DMSO與H2O之間氫鍵（S=O····H-O）形成，有利于降低電解液的冰點(diǎn)，也可以減少電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中由水引起的一系列的副反應(yīng)；2）與H2O相比，在ZnSO4存在時(shí)DMSO加入后1H更加明顯的位移證實(shí)了DMSO對(duì)Zn2+的溶劑化作用的影響。
圖2.
展開(kāi) 研究興趣為鋰(鈉)離子電池、水系鋅離子電池、超級(jí)電容器等。以一作或通訊作者在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Nano Energy, Adv. Sci., Energy Storage Mater.等國(guó)際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。
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?yàn)?em>鋅具有理論容量高、導(dǎo)電性好、電位適當(dāng)和本質(zhì)安全的優(yōu)點(diǎn)。由于水電解質(zhì)的窗口狹窄，水基金屬電池的能量密度遠(yuǎn)低于非水電池；盡管如此，一些開(kāi)創(chuàng)性的工作已經(jīng)通過(guò)使用“鹽中水”電解質(zhì)成功地拓寬了水電解質(zhì)的窗口。因此，開(kāi)發(fā)具有高容量和操作潛力的先進(jìn)負(fù)極有望提高其能量密度。另一方面，開(kāi)發(fā)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(zhàn)性。
來(lái)自武漢大學(xué)汪的華，華中科技大學(xué)蔣凱團(tuán)隊(duì)提出并系統(tǒng)研
究了三種硒硫固溶體及其復(fù)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(xié)同效應(yīng)，它們的物理和電化學(xué)性質(zhì)受到影響。特別是，通過(guò)優(yōu)化這些復(fù)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(wěn)定電壓，達(dá)到867.6 Wh/kg(基于SeS5.76)的超高能量密度，5A/g時(shí)713 mAh/g的卓越額定容量，以及500次循環(huán)后75%容量保持率的穩(wěn)定循環(huán)。此外，鋅的儲(chǔ)存動(dòng)力學(xué)由放電過(guò)程決定，在此過(guò)程中Se5.76@3D-NPCF轉(zhuǎn)化為硒化鋅和硫化鋅。更重要的是，理論計(jì)算表明Se可以調(diào)整S的電子密度分布、能帶結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能，從而提高其導(dǎo)電性和反應(yīng)性，進(jìn)而促進(jìn)與Zn的電化學(xué)反應(yīng)。這項(xiàng)工作探索了高性能轉(zhuǎn)換負(fù)極材料的水鋅金屬電池，并提出了一個(gè)高效策略用以改變其內(nèi)在性質(zhì)。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202101237
圖1|a)光學(xué)照片，b)電導(dǎo)率，c)XRD。
展開(kāi) （b）最終的完整電池，（c）機(jī)械彎曲，（d）扭曲和（e）拉伸的照片。
圖
5.
（a）不銹鋼/電解質(zhì)/不銹鋼電池中以鋅箔為參比電極的PAM水凝膠電解質(zhì)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(yáng)極（紅線）和α-MnO2陰極（藍(lán)線）的角度，其中PAM水凝膠電解質(zhì)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(wú)應(yīng)變電池的前五個(gè)循環(huán)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(wú)應(yīng)變電池在1 C電流密度下的循環(huán)性能。（f）透明無(wú)應(yīng)變
電池在
1 C，電流密度為1 C時(shí)的第1次，第10次，第100次和第120次循環(huán)的GCD曲線。
圖
6.
（a）透明鋅離子電池在50％應(yīng)變下的照片。（b）頂部電極在50％應(yīng)變下的光學(xué)顯微鏡圖像。（c）在0–50％應(yīng)變下整個(gè)細(xì)胞的透光率。（d）透明電池在0–50％應(yīng)變下的GCD分布圖，并在1 C的電流密度下釋放到初始狀態(tài)。（e）透明電池在0–50％應(yīng)變下在120循環(huán)下的循環(huán)性能 電流密度為1C。（f）透明鋅離子電池在0–50％應(yīng)變下的奈奎斯特圖。
參考文獻(xiàn)
：
doi.org/10.1021/acsaem.1c00958
版權(quán)聲明
：「
高分子材料科學(xué)
」公眾號(hào)旨在分享學(xué)習(xí)交流高分子聚合物材料學(xué)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。上述僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)。如有侵權(quán)或引文不當(dāng)請(qǐng)聯(lián)系作者修正。商業(yè)轉(zhuǎn)載或投稿請(qǐng)后臺(tái)聯(lián)系編輯。感謝各位關(guān)注！
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水系鋅離子電池的最新內(nèi)容
組裝的水系鋅離子電池(包括：
NH
4
V
4
O
10
||Zn
;
MnO
2
||Zn
)都表現(xiàn)出明顯提升的電池性能。值得注意地，組裝的錳基軟包電池，在極化電場(chǎng)作用下，即使在
高面容量(10 mAh cm-2)、低N/P容量比(7.5：1)的嚴(yán)苛條件下，仍能
穩(wěn)定循環(huán)150圈并保持有87.9%的容量。
水系鋅離子電池（ZIBs）由于其元素儲(chǔ)量豐富、不易燃、低毒、高能量密度，環(huán)境友好和易于制造的工藝等特點(diǎn)被認(rèn)為是下一代能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的理想選擇。然而，鋅電極表面的枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng)（如腐蝕、析氫反應(yīng)）顯著降低ZIBs的庫(kù)倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值及可行性。
水系鋅離子電池由于其高安全性和低成本的特點(diǎn)，在新一代可穿戴電池領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而傳統(tǒng)的水系鋅離子電池中枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng)問(wèn)題嚴(yán)重影響了鋅負(fù)極的可逆性，大大降低了電池的循環(huán)壽命。另外，水系電解液較高的凝固點(diǎn)也限制了其在低溫下的進(jìn)一步應(yīng)用。
蓋世汽車(chē)訊 鋅離子電池在使用過(guò)程中會(huì)迅速降解退化，使其發(fā)展受限。據(jù)外媒報(bào)道，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新電解質(zhì)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(huán)后保持穩(wěn)定性。
（圖片來(lái)源：KAUST）
為了解決這些問(wèn)題
主要致力于全釩液流電池、水系鋅離子電池、水系鋰離子電池等研究。主持國(guó)家自科、河北省杰青、河北省教育廳青年拔尖人才項(xiàng)目等多項(xiàng)課題。以第一或通訊作者在J. Energy Chem.，J. Mater. Sci. Technol.，無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，ACS Nano，Chem. Eng. J.，Carbon，J. Colloid. Interf. Sci.，Electrochim.
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【科研摘要】
透明的電子設(shè)備
為顯示技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)帶來(lái)了前所未有的可能性。對(duì)于這些應(yīng)用中的一些，將光學(xué)透明性與可拉伸性結(jié)合起來(lái)將是有利的。當(dāng)然，所有便攜式電子設(shè)備都需要一個(gè)能量源，該能量源理想地集成為電池形式，因此必須具有相同的物理特性。但是，開(kāi)發(fā)一種電池，其中所有組件（電極，集電器，隔膜
/電解質(zhì)和包裝）都是透明且可拉伸的，這是非常具有挑戰(zhàn)性的。
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