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青島能源所首次開發出一種改善鋅電池穩定性的水合熔鹽鋅基電解質
2020-07-06 | 編輯: | 【 】| | 供稿部門:仿生與固態能源系統研究組
    

  鑒于數十年來的研究基礎及商業化經驗,水系鋅電池依然是后鋰離子電池體系中的佼佼者,應用價值極大,近年來又迎來了新一輪的關注。多種正極材料被報道可以與鋅負極進行搭配,以期產生性能的突破。與傳統無機正極材料不同,有機材料主體的分子間弱相互作用更加適合多價離子的存儲,而且高度可調的有機結構賦予其新的離子反應機制。然而,目前的水系鋅電解質尚存在很大不足:1)水合[Zn(OH2)6]2+離子活性很高,會引起嚴重的副反應及不均勻鋅沉積;(2)有機電極的放電產物極性較高,易被自由水溶解,造成容量衰減。

  近日,青島能源所的崔光磊研究員,趙井文副研究員和南洋理工大學的張其春教授合作,采用水合鋅鹽加中性配體這種簡單、低成本配方,提出了一種由丁二腈(SN)和六水合高氯酸鋅(Zn(ClO4)2·6H2O)組成的水合熔鹽鋅基電解質,有效解決了鋅負極及有機正極在水系電解質中副反應和不可逆溶解的問題。通過電化學測試發現,這種水合熔鹽鋅基電解質有效抑制了金屬鋅負極的枝晶和副反應,實現了鋅負極的長期循環穩定性。通過光譜表征以及理論計算發現,丁二腈破壞了[Zn(OH2)6]2+溶劑化結構并參與了鋅離子的溶劑化。另外,被丁二腈替換掉的水分子仍被鋅離子的溶劑化層及被電解質獨特的共熔結構網絡所束縛而以類似結合水的“被束縛狀態而存在。當將一種含有硫的醌類聚合物(聚(2, 3-二硫基-1, 4-對苯醌)(PDB))作為鋅離子電池的正極時,該水合熔鹽有效減少了有機正極的溶解。在0.3C的條件下,電池循環了3600次,容量保持率為85.4%。另外,當溫度相繼降溫為-10oC-20 oC時,電池仍表現出優異的循環穩定性并可輸出70 mAh gˉ140mAh gˉ1左右的容量,表明這種水合熔鹽電解質有望在低溫環境中應用。此研究為新型水系電解質的開發及鋅-有機電池發展提供了建設性思路。

  相關結果發表在《焦耳》期刊(Joule)上,論文第一作者為青島科技大學楊武海和青島能源所杜曉璠。本工作得到了國家自然科學基金、中科院青促會、大連化物所—青島能源所融合基金等的支持。(文/ 楊武海 趙井文)

  DOI: 10.1016/j.joule.2020.05.018

 水合熔鹽電解質與傳統水系電解質的溶劑化結構對比示意圖

 
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