水系鋅離子電池的案例
『水系鋅電』中南大學潘安強/常智教授團隊Small：Maxwell極化電場優(yōu)化鋅離子傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)助力高性能水系鋅離子電池
實驗與模擬證明，鋅離子在這種極化電場的作用下可以進行有序遷移，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。在極化電場作用下，鋅負極的壽命得以延長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極化電場的策略同樣有潛力適用在其他二次金屬電池上。
展開 東華大學武培怡/焦玉聰團隊《Small》：電解液添加劑助力水系鋅離子電池實現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)無枝晶生長
水系鋅離子電池由于其高安全性和低成本的特點，在新一代可穿戴電池領域具有巨大的應用潛力。然而傳統(tǒng)的水系鋅離子電池中枝晶生長和副反應問題嚴重影響了鋅負極的可逆性，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也限制了其在低溫下的進一步應用。
基于上述背景，東華大學武培怡團隊報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+的沉積動力學，有效實現(xiàn)了對鋅枝晶和副反應抑制。同時，DMSO通過調(diào)節(jié)水的氫鍵降低了電解液的冰點，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：對稱Zn/Zn電池分別在20℃和-20℃能夠穩(wěn)定電鍍/剝離超過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3000個循環(huán)和 300個循環(huán)。
圖1. DMSO添加前后Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)及沉積行為的相應示意圖。
作者通過紅外、拉曼光譜及核磁共振譜詳細表征了DMSO添加劑對混合電解液氫鍵和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，也可以減少電化學循環(huán)過程中由水引起的一系列的副反應；2）與H2O相比，在ZnSO4存在時DMSO加入后1H更加明顯的位移證實了DMSO對Zn2+的溶劑化作用的影響。
圖2.
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
研究興趣為鋰(鈉)離子電池、水系鋅離子電池、超級電容器等。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.等國際期刊發(fā)表學術論文40余篇。
武大&華科《AFM》：S與Se協(xié)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(zhì)安全的優(yōu)點。由于水電解質(zhì)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(chuàng)性的工作已經(jīng)通過使用“鹽中水”電解質(zhì)成功地拓寬了水電解質(zhì)的窗口。因此，開發(fā)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(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。
來自武漢大學汪的華，華中科技大學蔣凱團隊提出并系統(tǒng)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(xié)同效應，它們的物理和電化學性質(zhì)受到影響。特別是，通過優(yōu)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(wěn)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(huán)后75%容量保持率的穩(wěn)定循環(huán)。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(zhuǎn)化為硒化鋅和硫化鋅。更重要的是，理論計算表明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(zhuǎn)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(nèi)在性質(zhì)。
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 
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(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處的鋅陽極（紅線）和α-MnO2陰極（藍線）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）透明無應變電池的前五個循環(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）透明無應變電池在1 C電流密度下的循環(huán)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(huán)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(tài)。（e）透明電池在0–50％應變下在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
」公眾號旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯(lián)系作者修正。商業(yè)轉(zhuǎn)載或投稿請后臺聯(lián)系編輯。感謝各位關注！
【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(fā)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(huán)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(guī)模能量存儲領域。
但是，鋅負極在循環(huán)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(huán)充放的鋰離子電池。參考鋰離子電池領域，采用Zn固態(tài)電解質(zhì)替代電解液有望實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)室溫下Zn2+離子電導率較高的固態(tài)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(jié)構(gòu)，首次研發(fā)成功基于MOFs的Zn-單離子導體固態(tài)電解質(zhì)實現(xiàn)可穩(wěn)定充放電循環(huán)的鋅離子電池。相關成果發(fā)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(tài)電解質(zhì)（WZM）（材料的制備過程如下圖所示）。它是一種固態(tài)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(shù)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(tài)電解質(zhì)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(fā)現(xiàn)，這種優(yōu)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(tài)電解質(zhì)組裝了Zn|WAM|VS2固態(tài)電池并進行了測試。
展開 清華大學徐成俊&董留兵Energy Storage Materials:基于多價態(tài)離子存儲理論構(gòu)筑的
多價態(tài)離子（Zn2+、Mg2+、Ca2+和Al3+等）電池是近些年電化學儲能領域研究的熱點。與鋰離子電池相比，多價態(tài)離子電池顯示出特有的動力學、熱力學特征與電化學性能。其中，基于二氧化錳正極和金屬鋅負極的水系鋅離子電池具有安全、環(huán)保、較高的比容量等優(yōu)勢。包括鋅離子電池在內(nèi)的多種電池具有比超級電容器高的能量密度，然而其倍率性能和功率輸出卻低得多。
近來，清華大學深圳研究生院的徐成俊副研究員和董留兵博士等人基于多價態(tài)離子存儲機制構(gòu)筑了水系鋅離子混合超級電容器（Multivalent ion storage towards high-performance aqueous zinc-ion hybrid supercapacitors, Energy Storage Materials, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.10.020），其中二氧化錳納米棒為正極、高比表面積活性炭為負極、鋅離子水系溶液為電解液（圖1）。該儲能體系以鋅離子在二氧化錳隧道中的可逆嵌入/脫出以及離子在活性炭表面的吸脫附作為主反應機制，并伴隨有堿式硫酸鋅的生成/溶解；基于對體系內(nèi)部電化學反應機理的研究，調(diào)節(jié)電解液組分，實現(xiàn)了對體系內(nèi)部電化學反應的合理調(diào)控，使得該儲能體系的電化學性能得到進一步優(yōu)化。
圖1. 二氧化錳//活性炭（
MnO2
//AC）鋅離子混合超級電容器結(jié)構(gòu)示意圖
具體來說，如圖2所示，該儲能器件工作電壓為0-2 V，與傳統(tǒng)二氧化錳//硫酸鈉電解液//碳非對稱超級電容器具有相近的電壓區(qū)間。
展開 深大《AFM》：首次提出一種二維納米材料實現(xiàn)高性能鋅離子電池
f)1.8-V2CtX的GITT輪廓和充/放電期間相應的鋅離子擴散系數(shù)。g)在充電和放電狀態(tài)下1.8-V2CTx的異位XRD圖案。
總的來說，研究人員通過原位電化學活化調(diào)節(jié)V2CTx表面釩的價態(tài)，成功實現(xiàn)了高容量、高倍率的鋅離子儲存性能。該研究將促進具有適當表面改造的MXene陰極的發(fā)展，從而實現(xiàn)它們在高性能ZIBs中應用的潛力。（文：8 Mile）
KAUST開發(fā)新電解質(zhì)和電極 可使鋅離子電池在2000次循環(huán)后保持穩(wěn)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(fā)展受限。據(jù)外媒報道，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究團隊開發(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。
（圖片來源：KAUST）
為了解決這些問題，該團隊開發(fā)了一種鹽濃度很高的水電解質(zhì)。在該溶液中，越多的鹽離子與周圍水分子結(jié)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(chǎn)生含高氯酸鋅和高氯酸鈉的高濃度電解質(zhì)。研究人員Zhu表示：“我們發(fā)現(xiàn)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(huán)境友好性。”
除了創(chuàng)新電解質(zhì)，該團隊還開發(fā)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(tài)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(jīng)過2000多次充電循環(huán)，電池幾乎未出現(xiàn)容量衰減。“這種電解質(zhì)和電極組合，有潛力解決傳統(tǒng)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(xiàn)有化石燃料供電電網(wǎng)轉(zhuǎn)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(yōu)點，在固定存儲方面表現(xiàn)出巨大的潛力。
展開 華北理工《JMST》封面：全釩液流電池金屬和金屬氧化物催化劑進展
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。主持國家自科、河北省杰青、河北省教育廳青年拔尖人才項目等多項課題。以第一或通訊作者在J. Energy Chem.，J. Mater. Sci. Technol.，無機材料學報，ACS Nano，Chem. Eng. J.，Carbon，J. Colloid. Interf. Sci.，Electrochim. Acta等國際SCI期刊發(fā)表學術論文70余篇，一區(qū)論文40余篇。榮獲2020年度中國可再生能源學會科技進步獎二等獎。
本文來自“JMST”。
推薦閱讀：
歡迎微信后臺回復“應聘編輯”加入我們
實用！Origin軟件使用經(jīng)典問題集錦
免費下載：18款超實用軟件輕松搞科研
合作 投稿 點擊此處
歡迎留言，分享觀點。點亮在看??
展開 ：凝膠電解質(zhì)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(huán)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(tǒng)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(huán)穩(wěn)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(xiàn)有的方法主要通過液態(tài)電解質(zhì)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(fā)一種能夠驅(qū)動鋅離子均質(zhì)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(fā)展面臨的關鍵挑戰(zhàn)。
東華大學武培怡課題組前期圍繞優(yōu)化電解質(zhì)結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定鋅負極領域已經(jīng)開展了一些工作：從調(diào)控鋅離子沉積動力學角度出發(fā)，將低成本的DMSO作為電解液添加劑同時實現(xiàn)了對鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu)和體系氫鍵的調(diào)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(yōu)化電極與電解質(zhì)界面的角度出發(fā)，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(zhì)，實現(xiàn)了電解質(zhì)與電極界面的“互鎖”，并通過調(diào)控鋅離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，引導鋅的同質(zhì)外延均勻沉積（Nano Res. 2021, DOI : 10.1007/s12274-021-3770-8）。
展開 
上海工程技術大學王大中團隊《JPCC》：碳納米管的切割方法與展望
推薦閱讀：
北科大AM：高性能水系鋅離子電池正極
實用！Origin軟件使用經(jīng)典問題集錦
免費下載：18款超實用軟件輕松搞科研
合作 投稿 點擊此處
歡迎留言，分享觀點。點亮在看??
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(wěn)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(jié)晶度和調(diào)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(chǎn)生無定形結(jié)構(gòu)和氧空位，從而用于能量儲存和轉(zhuǎn)化。（文：SSC）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉(zhuǎn)載請聯(lián)系，未經(jīng)許可謝絕轉(zhuǎn)載至其他網(wǎng)站。
推薦閱讀：
北科大AM：高性能水系鋅離子電池正極
實用！Origin軟件使用經(jīng)典問題集錦
免費下載：18款超實用軟件輕松搞科研
合作 投稿 點擊此處
歡迎留言，分享觀點。點亮在看??
展開 武漢理工：一種簡單環(huán)保、可大批量制備鈣鈦礦發(fā)光材料的方法！
推薦閱讀：
北科大AM：高性能水系鋅離子電池正極
實用！Origin軟件使用經(jīng)典問題集錦
免費下載：18款超實用軟件輕松搞科研
合作 投稿 點擊此處
歡迎留言，分享觀點。點亮在看??
新加坡國立大學《Nature》子刊：透明近紅外鈣鈦礦發(fā)光二極管！
推薦閱讀：
北科大AM：高性能水系鋅離子電池正極
實用！Origin軟件使用經(jīng)典問題集錦
免費下載：18款超實用軟件輕松搞科研
合作 投稿 點擊此處
歡迎留言，分享觀點。點亮在看??
