水系鋅離子電池(AZIBs)因其低成本和高安全性而成為儲能領(lǐng)域的研究熱點。然而，由于鋅枝晶和副反應(yīng)等問題，AZIBs的廣泛應(yīng)用面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的含水鋅鹽電解質(zhì)中，溶劑化的Zn2+會由于高去溶劑化能壘而導(dǎo)致鋅枝晶的增長。同時，溶劑化鞘中的高活性水會導(dǎo)致副反應(yīng)，包括析氫反應(yīng)和腐蝕。此外，該電解質(zhì)中的水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致電解質(zhì)的冰點較高，從而導(dǎo)致低溫性能不佳。
圖1SUC/ZS/PAM作用機制及組裝的全電池低溫性能。
調(diào)節(jié)鋅離子的溶劑化結(jié)構(gòu)、抑制水的活性、重建氫鍵網(wǎng)絡(luò)和減少溶劑化水，是解決上述問題的關(guān)鍵。近日，環(huán)境與材料工程學(xué)院姜付義團(tuán)隊和清華大學(xué)康飛宇團(tuán)隊合作在自然指數(shù)期刊ACS Nano（IF：15.8）上發(fā)表題為《Modulating Hydrogen Bond for Stable Zinc Anode with Wide Temperature Range via Sucrose and Polyacrylamide Synergistic Effect》的學(xué)術(shù)論文。該工作提出了一種凝膠和電解液添加劑的協(xié)同策略，通過向聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠電解質(zhì)中添加電解質(zhì)添加劑蔗糖（SUC）提高鋅負(fù)極的穩(wěn)定性。通過光譜學(xué)測試和密度泛函理論確定了SUC和PAM之間的協(xié)同效應(yīng)能夠有效地調(diào)控鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu)以及氫鍵網(wǎng)絡(luò)。采用力學(xué)性能測試揭示SUC添加劑可以提高水凝膠電解質(zhì)的抗拉伸、抗壓縮、保水性等性能。通過物相表征對循環(huán)后的鋅負(fù)極進(jìn)行了測試，結(jié)果表明SUC和PAM之間的協(xié)同作用抑制了鋅負(fù)極副產(chǎn)物的形成和鋅枝晶的生長。電化學(xué)測試結(jié)果顯示，在常溫下Zn//Zn對稱電池實現(xiàn)了超6000小時的穩(wěn)定循環(huán)。在低溫至?10℃下，對稱電池具有接近4000小時的循環(huán)壽命。Zn//VO2全電池能在?10℃至40℃寬溫域范圍內(nèi)穩(wěn)定循環(huán)1000次。以上結(jié)果表明，凝膠和電解液添加劑的協(xié)同策略能夠抑制鋅負(fù)極上副反應(yīng)的發(fā)生，從而實現(xiàn)寬溫域下的穩(wěn)定運行的電池器件。這個工作為實現(xiàn)寬溫度適應(yīng)性和長循環(huán)穩(wěn)定性的水系鋅離子電池提供了思路。
該論文以煙臺大學(xué)為第一單位，煙臺大學(xué)研究生安韻琳、舒暢為論文的第一作者，煙臺大學(xué)姜付義教授、劉文寶副教授及清華大學(xué)康飛宇教授為論文通訊作者，相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18178
來稿時間：4月17日 審核：劉俞斌 責(zé)任編輯：徐揚
