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科研进展

365正规平台:先进材料与能源器件团队在水系锌离子电池领域取得新进展

添加时间:2023-09-28 16:19:48   浏览次数: 次

近日,365正规平台先进材料与能源器件团队在水系锌离子电池研究方面取得新进展。相关工作“Inhibiting zinc dendrites and side reactions enabled by solvation structure regulation and facile de-solvation process”和“Constructing amphipathic molecular layer to assists de-solvation process for dendrite-free Zn anode”发表在国际著名储能期刊Energy Storage Materials(DOI:10.1016/j.ensm.2023.102997)和界面工程期刊Journal of Colloid and Interface Science(DOI:10.1016/j.jcis.2023.09.151)上,硕士生李逸峰、乔世哲分别为论文第一作者,张文明教授和朱前程博士为共同通讯作者。

可充电水溶液锌离子电池具有低成本、高安全性等优点,作为下一代储能设备具有广阔的应用前景。然而,锌枝晶生长和不良副反应导致锌负极的可逆性较差。锌沉积大致经历三个步骤:锌离子溶剂化、锌离子去溶剂化和锌离子沉积为锌原子进入锌金属晶体。其中,去溶剂化过程需要克服很强的能量壁垒,这一过程也是导致水分解、副产物甚至锌枝晶产生的根源。作者从最根本的去溶剂化过程出发,设计了系列电解液添加剂,通过引入TEG分子作为添加剂,占据溶剂化壳中水分子的位置来调节溶剂化结构,进一步降低去溶剂能垒,从而有助于溶剂化水分子的解离,以及抑制水的分解和相关的副产物。得益于上述效果对Zn2+的溶剂化结构调节和脱溶剂化过程的有利影响,Zn/Zn对称电池在电流密度和容量分别为1mA cm-2和1 mAh cm-2时可达到2000小时的长循环寿命,而MnO2-Zn全电池在电流密度为1000 mA g-1时可达到3000次循环的优异稳定性。此外,作者通过在锌表面构建了一层两亲性分子层(聚丙烯酸,命名为PAA),干预脱溶剂过程来抑制副反应和锌枝晶。研究发现,聚丙烯酸中富含羟基的基团具有很强的亲水性,而另一侧的烃基几乎是疏水的;锌表面的两亲性PAA分子层导致较低的脱溶剂能势,从而抑制了水的分解和相关的副反应。

以上工作得到了河北省自然科学基金、河北省留学回国人员资助和河北大学高层次人才引进项目的支持。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829723003756

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979723018490

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