北理工團隊在水系鋅離子電池領(lǐng)域取得重要進展
發(fā)布日期：2023-01-19 供稿：材料學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院白瑩教授研究小組在水系鋅離子電池負(fù)極保護方面取得重要進展。1月4日，相關(guān)研究成果以“Stabilizing Zn Metal Anodes via Cation/Anion Regulation towards High Energy Density Zn-Ion Batteries”為題發(fā)表在材料類國際頂級期刊《Advanced Energy Materials》。北京理工大學(xué)材料學(xué)院白瑩教授與吳川教授為本論文共同通訊作者，博士后趙然為第一作者。
水系鋅離子電池安全性高、成本低且綠色環(huán)保，是下一代大規(guī)模儲能技術(shù)強有力的競爭者，是服務(wù)“雙碳”戰(zhàn)略實現(xiàn)“新能源+儲能”的重要途徑。由于鋅資源在我國儲量充沛、金屬理論容量高且具有合適的電極電位，鋅金屬在負(fù)極領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，鋅的沉積與剝離伴隨著鈍化、腐蝕、析氫等副反應(yīng)的發(fā)生和不均勻鋅沉積造成的枝晶生長，導(dǎo)致電池容量衰減、低庫侖效率和壽命受限。
針對這一問題，北京理工大學(xué)白瑩教授研究小組使用三維孔徑相同的微孔材料作為人工界面層，通過同時調(diào)節(jié)陽離子和陰離子流抑制副反應(yīng)的發(fā)生并實現(xiàn)了鋅離子的均勻沉積。實驗結(jié)果、DFT以及COMSOL理論模擬計算表明，微孔沸石有效阻礙了電解液中硫酸根在鋅金屬表面的聚集，從而抑制了Zn4(OH)6SO4·xH2O的形成；沸石的使用均勻了負(fù)極表面的鋅離子流以及電場分布，同時，其骨架中的氧元素與鋅離子相互作用，誘導(dǎo)無枝晶鋅（002）沉積；帶負(fù)電的沸石分子篩骨架通過靜電作用吸引溶劑中的鋅離子，減弱了負(fù)極側(cè)的濃差極化，使電極的過電位降低。具體實驗結(jié)果與離子傳輸機理如圖1所示。
圖1 沸石分子篩保護功能研究以及離子傳輸示意圖
得益于保護層的多重功能，修飾后的鋅負(fù)極性能得到極大的提升。對稱電池實現(xiàn)了2400小時的長循環(huán)（5 mA cm-2/2 mAh cm-2）、超過500小時的深度鋅沉積/剝離和高電流密度（100 mAh cm-2）耐受性；與二氧化錳組裝的全電池表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（如圖2），在充放電過程中產(chǎn)生了較少的副反應(yīng)產(chǎn)物，表現(xiàn)出較低的界面電阻，7500次循環(huán)后容量保持率高達(dá)76.4%；利用該種保護層構(gòu)建的無負(fù)極電池顯示出192.8 Wh kg-1的高能量密度（基于全電池中所有活性電極材料質(zhì)量）。以上結(jié)果為鋅金屬負(fù)極保護策略提供了新的研究思路，使用性能優(yōu)異、成本低、環(huán)保、工業(yè)制造技術(shù)成熟的沸石作為人工界面，有利于開發(fā)商業(yè)化的長壽命鋅負(fù)極，促進水系鋅離子電池的實際應(yīng)用。
圖2 人工界面層對全電池性能的提升作用
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202203542
附作者介紹：
趙然，材料學(xué)院博士后。2017年博士畢業(yè)于美國亞利桑那州立大學(xué)。主要從事多價金屬離子電池關(guān)鍵材料的制備、性能與機理研究，包括鋅離子電池、鈣離子電池以及鋁離子電池等。發(fā)表SCI收錄論文21篇，申請專利5項，主持國家自然科學(xué)基金青年項目以及博士后面上項目。
吳川，教授，博士生導(dǎo)師，國家高層次人才，Science合作期刊Energy Material Advances副主編。主要關(guān)注能量儲存與轉(zhuǎn)體系及其關(guān)鍵材料，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋁二次電池以及其他高性能二次電池新體系。作為負(fù)責(zé)人主持國家973課題、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金重點、教育部博士點基金等科研項目。
白瑩，教授，博士生導(dǎo)師，入選英國皇家化學(xué)會會士、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才。從事先進二次電池、輕質(zhì)儲氫等新型儲能材料研究，主要包括鋰/鈉/鋅電池等體系的關(guān)鍵材料、電極與電解液界面穩(wěn)定性、電池?zé)岱治雠c熱安全等基本科學(xué)問題。作為負(fù)責(zé)人主持國家863計劃課題、國家自然科學(xué)基金、國家基礎(chǔ)研發(fā)課題、國家重大專項課題等項目。
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