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中南大学《AFM》:一种用于锌电池的新型水合共晶电解质!

2022-05-13  材料科学网   |  转藏
   
水系锌电池被认为是电网规模储能应用的一种高效技术,因为它们在高功率和安全性、环保和低成本方面优于传统的非水系锂基电池。事实上,在过去几年中,RZB 正极材料和插层机理取得了巨大进展。在过去的几年中,越来越多的注意力集中在锌负极侧,以减轻副反应和枝晶生长的缺陷。不受控制的锌枝晶生长和寄生副反应导致循环稳定性欠佳,这会改变电解液的局部 pH 环境,降低库仑效率 (CE),并阻碍其潜在适用性。尽管在过去几年中正极材料取得了实质性进展,但由于枝晶的形成和Zn负极侧不希望的副反应,可充电锌电池(RZBs)仍受到性能快速退化的困扰。
 
来自中南大学和南洋理工大学的学者提出一种含有甲基磺酰甲烷、高氯酸锌和水的优化水合共晶电解质(HEE)体系,其中有机配体协调Zn离子的溶剂化壳与构成共晶网络的水分子。与普通水溶液相比,该HEE系统被证明可有效促进光滑的锌沉积和电镀/剥离可逆性以及抑制副反应。基于这种新型HEE的钒基锌电池表现出极高的容量保持率(即使在1000 mA g1的相对较小的电流密度下,在1600次循环后仍有≈100%的容量保持率)。本研究为RZBs提供了一种新型电解质,并解释了Zn2+溶剂护套结构对循环可逆性的影响。相关文章以“Hydrated Eutectic Electrolyte with Ligand-Oriented Solvation Shellto Boost the Stability of Zinc Battery”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接:
/10.1002/adfm.202110957


图1. 共晶电解质的物理化学性质。a)Zn(ClO 4 ) 2 -MSM-H2O 混合物的液相线。b,c) Zn(ClO 4 ) 2 -MSM-H2O与不同 Zn(ClO 4 ) 2/MSM/H2混合物的粘度、电导率和 DSC 的对比; d) 在HEE-1.2-3电解液中以Cu为工作电极、Zn为参比电极和反电极的Zn电镀/剥离循环伏安曲线。
 

图2. HEE结构分析。a,d) 拉曼光谱和 b,c) 水性和 HEE 体系的FT-IR 光谱;e) MD 模拟获得的 3D 快照和 f) HEE-1.2-3 溶液的代表性 Zn2+溶剂化结构;g,h) Zn-O (H2O)、Zn-O (ClO 4- ) 和 Zn-O (MSM) 的RDF 和在 HEE-1.2-3 电解液中通过 MD 模拟得到的 Zn2+的配位数;i)  DFT 计算得到的Zn 2+与 H 2 O、MSM 和 ClO 4 -离子的结合能。
 

图3. 水和 HEE 系统中的 Zn 电镀/剥离和沉积行为。a,b)Zn//Zn 对称电池中电压分布的比较。c,d) 铜基板上沉积的 Zn 金属的典型 SEM 图像。e,f)在 Zn//Zn 电池中循环 500 次后 Zn 负极表面的 SEM 图像。g)XRD 图案和 h,i) 在 Zn//Zn 电池中循环 500 次后 Zn 电极的模拟图像。j-l)锌金属腐蚀的线性极化曲线。
  

图4. 锌沉积的原位研究。在 a) 水溶液和 b) HEE-1.2-3 电解质中,Cu 基底上的 Zn/电解质界面的光学显微镜图像;c,d) Zn2+溶剂化结构和 Zn/电解质界面反应分别在水和 HEE-1.2-3 系统中的示意图。 

图5. Zn//NVO 电池在水性和HEE-1.2-3 电解质中的性能。a) 0.2 mV s -1时的 CV 曲线。b,d) 在 0.5 和 1 A g -1两种电流密度下的循环性能。c) 不同循环的充放电曲线。e) 正极质量负载为1.7 mg cm -2的软包电池的循环性能。f,g) 在 500 mA g -1下循环 100 次后 Zn正极的俯视图和h,j) 横截面 SEM 图像。
 
本文开发了一种用于Zn电池的新型水合共晶电解质。在该HEE体系中, Zn2+阳离子与MSM、H2O和ClO4配位, 形成Zn(MSM)x(H2O)y(ClO4z配合物。由于HEE-1.2-3溶液中Zn2+周围游离水和溶剂化的水的量比普通水溶液中的游离水和溶剂化水的量还要少,因此发生Zn枝晶生长,并且水还原和界面副反应受到显着抑制。因此,电化学稳定性窗口也得到了扩展。Zn//Zn对称电池的恒电流循环展示了一种超稳定的锌电镀/剥离过程,其中使用原位光学显微镜证明了没有气体逸出的均匀Zn沉积。在钒基锌电池中,这种设计巧妙的HEE系统使钒基水性锌金属电池具有高容量和循环性能。总体而言,本文对这种新型水合共晶电解质的研究为绿色电解质系统提供了新的见解,以提高有前途的基于Zn的电池的性能。文:SSC

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