水系電池
關(guān)注創(chuàng)建者：邁向破滅的圓舞曲 創(chuàng)建時(shí)間：2018-09-17
水系電池的實(shí)例教程
采用該電解質(zhì)制備的柔性鎳鋅和鋅空氣電池都展現(xiàn)出了最長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性能，循環(huán)次數(shù)/時(shí)間比目前所有文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果高出8-40倍。
上欄：聚丙烯酸鈉水凝膠電解質(zhì)示意圖及柔性堿性鎳鋅（左）和鋅空電池（右）的循環(huán)穩(wěn)定性比較；下欄：本征自愈合堿性鎳鋅電池愈合前后圖；
此外，聚丙烯酸鈉水凝膠分子鏈通過(guò)鐵離子交聯(lián)以促進(jìn)整體網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重建。這些非共價(jià)交聯(lián)在水凝膠被切斷時(shí)重新連接受損表面，為電池實(shí)現(xiàn)固有的自我恢復(fù)能力提供最終解決方案。因此，使用該水凝膠電解質(zhì)的鎳鋅電池可自主自愈，在4次斷裂/愈合循環(huán)后保留超過(guò)87％的容量。
黃燕教授的獨(dú)創(chuàng)性成果大大解決了水系堿性電池的循環(huán)穩(wěn)定性和本征自愈合問(wèn)題，并且在這些指標(biāo)上達(dá)到了一個(gè)新的高度。
展開(kāi) 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。
文獻(xiàn)信息
Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries
Shuang Zhou, Xinyu Meng, Chunyan Fu, Dongming Xu, Jianwen Li, Qiong He, Shangyong Lin, Shuquan Liang, Zhi Chang,* and Anqiang Pan*
Small
https://doi.org/10.1002/smll.202303457
文章來(lái)源：水系儲(chǔ)能
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。
【引言】
可充水系鋅電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域（如智能電網(wǎng)）中展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。這得益于水系電解液具有高的安全性、良好的環(huán)境兼容性和優(yōu)異的離子電導(dǎo)率；此外，鋅資源豐富、分布廣泛、化學(xué)穩(wěn)定性高，可直接用作負(fù)極材料。然而，鋅離子電荷高且原子量大，在常規(guī)正極晶體結(jié)構(gòu)中的脫嵌動(dòng)力學(xué)緩慢，因此急需開(kāi)發(fā)新型高性能儲(chǔ)鋅正極材料。層狀五氧化二釩（V2O5）具有廉價(jià)易得、理論容量高（589 mAh/g）等特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種有應(yīng)用前景的儲(chǔ)鋅正極。然而，釩基氧化物在低濃度水系電解液中一般面臨著循環(huán)穩(wěn)定性差和倍率不佳的問(wèn)題。此外，盡管V2O5在鋰離子電池中已被廣泛研究且反應(yīng)機(jī)理明確，但是多價(jià)態(tài)陽(yáng)離子在其晶體結(jié)構(gòu)中的脫嵌行為相對(duì)復(fù)雜，其儲(chǔ)鋅機(jī)理有待闡明。
【成果簡(jiǎn)介】
河北大學(xué)張寧博士（通訊作者）等研究人員在美國(guó)化學(xué)會(huì)能源旗艦刊ACS Energy Letters (IF≈11) 上在線發(fā)表了題為“Rechargeable Aqueous Zn-V2O5 Battery with High Energy Density and Long Cycle Life”的文章。利用商業(yè)化的V2O5為正極，金屬鋅為負(fù)極，Zn(CF3SO3)2水溶液為電解液，構(gòu)建了高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命的Zn-V2O5電池體系。通過(guò)電化學(xué)測(cè)試、TEM表征和XPS表征等分析方法，闡明了V2O5正極的儲(chǔ)鋅機(jī)理；通過(guò)使用所優(yōu)化的高濃度水系電解液，顯著提升了Zn-V2O5電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 可充水系Zn-V2O5電池的反應(yīng)機(jī)理和循環(huán)穩(wěn)定性。
（a）在3 M Zn(CF3SO3)2水系電解液中，電池工作原理示意圖；（b）Zn-V2O5電池在0.2，0.5和1.0 mA/g的電流密度下的循環(huán)性能圖。
圖2：可充水系Zn-V2O5電池電化學(xué)性能表征。
展開(kāi) 
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水系電池的最新內(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。
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.
采用有機(jī)活性材料的氧化還原水系電池
圖1鋁電池水系和非水系電解質(zhì)研究的時(shí)間線
2、鋁電池電解液設(shè)計(jì)
電化學(xué)電池的電解液為離子傳輸提供途徑，并在控制電池內(nèi)的整體化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，在鋁電池中，需要電解液來(lái)適應(yīng)電池工作過(guò)程中鋁的可逆電沉積。由于鋁的電沉積是從電解液中的含鋁物質(zhì)中進(jìn)行的，因此所用電解液的體積以及相應(yīng)的電解質(zhì)種類是鋁電池容量的限制因素。
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