北理工團隊在水系鋅離子電池領域取得重要進展
發布日期：2023-01-19 供稿：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數：
近日，北京理工大學材料學院白瑩教授研究小組在水系鋅離子電池負極保護方面取得重要進展。1月4日，相關研究成果以“Stabilizing Zn Metal Anodes via Cation/Anion Regulation towards High Energy Density Zn-Ion Batteries”為題發表在材料類國際頂級期刊《Advanced Energy Materials》。北京理工大學材料學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、成本低且綠色環保，是下一代大規模儲能技術強有力的競爭者，是服務“雙碳”戰略實現“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，鋅金屬在負極領域受到廣泛關注。然而，鋅的沉積與剝離伴隨著鈍化、腐蝕、析氫等副反應的發生和不均勻鋅沉積造成的枝晶生長，導致電池容量衰減、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，通過同時調節陽離子和陰離子流抑制副反應的發生并實現了鋅離子的均勻沉積。實驗結果、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，誘導無枝晶鋅（002）沉積；帶負電的沸石分子篩骨架通過靜電作用吸引溶劑中的鋅離子，減弱了負極側的濃差極化，使電極的過電位降低。具體實驗結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，修飾后的鋅負極性能得到極大的提升。對稱電池實現了2400小時的長循環（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出優異的性能（如圖2），在充放電過程中產生了較少的副反應產物，表現出較低的界面電阻，7500次循環后容量保持率高達76.4%；利用該種保護層構建的無負極電池顯示出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量）。以上結果為鋅金屬負極保護策略提供了新的研究思路，使用性能優異、成本低、環保、工業制造技術成熟的沸石作為人工界面，有利于開發商業化的長壽命鋅負極，促進水系鋅離子電池的實際應用。
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，材料學院博士后。2017年博士畢業于美國亞利桑那州立大學。主要從事多價金屬離子電池關鍵材料的制備、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。發表SCI收錄論文21篇，申請專利5項，主持國家自然科學基金青年項目以及博士后面上項目。
吳川，教授，博士生導師，國家高層次人才，Science合作期刊Energy Material Advances副主編。主要關注能量儲存與轉體系及其關鍵材料，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。作為負責人主持國家973課題、國家自然科學基金、北京市自然科學基金重點、教育部博士點基金等科研項目。
白瑩，教授，博士生導師，入選英國皇家化學會會士、教育部新世紀優秀人才。從事先進二次電池、輕質儲氫等新型儲能材料研究，主要包括鋰/鈉/鋅電池等體系的關鍵材料、電極與電解液界面穩定性、電池熱分析與熱安全等基本科學問題。作為負責人主持國家863計劃課題、國家自然科學基金、國家基礎研發課題、國家重大專項課題等項目。
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