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Nat Mater: 水系电池中高度可逆的锌金属阳极
2019-02-26   科技处  责编:王晓佳  阅读6311次
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dnf私服发布网 www.phemphat.com 金属锌(Zn)因其高理论容量(820 mA h g-1)、低电位(相对于标准氢电极为-0.762 V)、高丰度、低毒性和安全性而被认为是水系电池的理想阳极材料。然而,在碱性电解液中,由于存在低库仑效率、循环中枝晶生长、持续水消耗以及生成氢氧化锌或锌酸盐不可逆的副产物等问题,导致Zn阳极反应的可逆性较差。虽然使用中性电解质可以有效减少Zn枝晶的形成,但如何提高库仑效率(CE)仍然是一个严峻的挑战。在已有大多研究中,常使用高的充/放电倍率来降低可逆性差对循环寿命的影响,并且经常需要定期用补充水来补偿水的分解。而且,因为副反应的消耗,还必须使用过量的锌阳极,未能有效利用其高理论容量的优点。而近期发现的含极高浓度盐的水系电解液(water-in-salt electrolyte)不仅能够大大拓展水电解质的电化学稳定性窗口,同时也为解决水性电解质中Zn阳极的不可逆性问题提供了前所未有的机会。

在本项工作中,来自马里兰大学的研究团队研究了水中高浓度双(三氟甲烷磺酰)亚胺锌(1 m Zn(TFSI)2,1m=mol kg-1)和双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂盐(20 m LiTFSI)混合盐的特性,发现在高浓度的 Zn(TFSI)2+LiTFSI电解液中,Zn离子周围被TFSI-基团包围形成了大量的(Zn-TFSI)+,从而抑制了(Zn-(H2O)6)2+的产生,最终导致水分解极大减少。这种独特的电解液使得Zn阳极能够在接近100CE的情况下实现无枝晶电镀/剥离。将其与LiMn2O4O2组成全电池,获得了非常优异的循环性能。例如,前者初始容量为180 W h kg-1,经大于4000次循环后仍保留了85%的容量;后者可获得极高能量密度300 W h kg-1,并且寿命超过了200个循环。

这种具有极高安全性和出色循环性的锌电池有望应用于航空航天、飞机、潜艇、深海调查车辆和其他军事应用。此外,受上述研究启发,采用较低成本的0.5m三氟甲磺酸锌(Zn(OTf)2+18 m NaClO4的替代电解质仍获得了优异的CE~98%)。上述研究为开发具有高能量、高可逆性和高安全性的Zn电池开辟了可行的途径,并可扩展到其他多价阳离子电池。

1. 1m ZnTFSI2 + 20m LiTFSI中测试Zn阳极。(a)在电流密度为0.2mA cm-2Zn/Zn对称电池中的恒电流Zn剥离/电镀曲线。(b 500次循环后Zn阳极的SEM图像和XRD图(插图)。(c)在三电极体系中(Pt为工作电极,Zn为对电极和参比电极)以1 mV s-1扫描速率进行Zn电镀/剥离的循环伏安图。插图:计时库仑曲线。(d)在电流密度为1mA cm-2条件下Pt工作电极上的Zn电镀/剥离时间(左)和CE(右)

2. Zn/LiMn2O4全电池的电化学性能。(a)在0.2C条件下全电池的典型电压曲线。(b),0.2C和(c4C条件下的循环稳定性和CE。(d)在100%充电状态下静置24小时的储存性能评估

该项研究工作发表于材料科学领域国际顶级期刊《Nature Materials》上:Fei Wang,Oleg Borodin,Tao Gao,Xiulin Fan,Wei Sun,Fudong Han,Antonio Faraone, Joseph A Dura, Kang Xu and Chunsheng Wang. Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries, Nature Materials, 2018, 17(6), 543-549. (译文:刘昊/数理学院)

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