北理工團隊在長循環(huán)水系鋅離子電池研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2023-10-11 供稿：材料學院 攝影：材料學院
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北京理工大學材料學院白瑩教授研究小組在長循環(huán)水系鋅離子電池研究中取得重要進展，10月2日，相關(guān)研究成果以“Suppressed water reactivity by zincophilic-hydrophobic electrolyte additive for superior aqueous Zn metal batteries”為題在國際知名期刊 Advanced Energy Materials 上發(fā)表。北京理工大學材料學院白瑩教授、吳川教授和趙然助理研究員為本論文共同通訊作者，2020級博士研究生王亞輝為第一作者。
水系鋅離子電池因其安全性高、成本低且綠色環(huán)保等特點被譽為下一代大規(guī)模儲能技術(shù)強有力的競爭者。金屬鋅作為極具潛力的水系電池負極備受人們關(guān)注，但同時也面臨著難以控制的副反應和有害的枝晶生長問題，這嚴重影響了其循環(huán)壽命和庫侖效率，限制了其規(guī)?；瘧?。
為了解決這些問題，北京理工大學白瑩教授研究小組提出了一種以乙基磺酰胺（ESA）作為多功能電解質(zhì)添加劑的解決策略緩解鋅金屬負極所面臨的問題，該添加劑不僅可以調(diào)節(jié)鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu)，還可以優(yōu)先吸附在鋅負極表面，并在表面原位生成一種新型親鋅-微疏水界面，從而將負極與活性水分子隔離開來，有效抑制副反應的發(fā)生和枝晶的生長，極大提高電極的循環(huán)可逆性，其作用過程示意圖如圖1所示。
圖1 ESA 改性前（左）和改性后（右）電解質(zhì)中的鋅沉積行為示意圖。
得益于ESA對水反應性調(diào)制的三重效應，金屬鋅負極表現(xiàn)出了極佳的可逆性，在ZnSO4電解質(zhì)體系中，以5 mA cm-2的電流密度實現(xiàn)了平均庫倫效率99.92%的超高水平，添加了乙基磺酰胺（ESA）添加劑的Zn||Zn對稱電池則實現(xiàn)了超過6000 h的長壽命循環(huán)。ESA添加劑的作用在Zn//MnO2全電池和鋅離子電容器中都得到了進一步體現(xiàn)，在5C條件下，1000次循環(huán)后的容量保持率為81.60%，在5 A g-1條件下，50000次循環(huán)后的容量保持率為92.25%。此外，全電池在 0.1 C的條件下循環(huán) 120 周后，電容量保持率接近100%，表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。這一策略為進一步開發(fā)以ZnSO4為基礎(chǔ)的低成本電解質(zhì)體系的水系鋅金屬電池提供了新的研究策略。有助于開發(fā)商業(yè)化的長壽命鋅負極，促進水系鋅離子電池的實際應用。
圖2 ESA添加劑鋅負極性能的提升作用
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202302707
附作者介紹：
趙然，材料學院助理研究員。2017年博士畢業(yè)于美國亞利桑那州立大學。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26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(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(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、電極與電解質(zhì)界面穩(wěn)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(chǔ)研發(fā)課題、國家重大專項課題等項目。
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