『水系锌电』贵州大学黄俊特聘教授/谢海波教授EES:壳聚糖基聚(非质子/质子型离子液体)多阴/阳离子协同调控锌化学实现高可逆锌电

文摘   2025-01-16 08:09   英国  


研究背景


水系锌离子电池(AZIBs)作为一种后锂电池技术有着广阔的前景,因其易于获取、本征安全性和环境兼容性等优点,在新一代可充电电池中极具吸引力。然而,AZIBs的可逆性和使用寿命受到电解液中以及电极/电解液界面发生的锌化学反应失控的限制。在各种解决策略中,电解液添加剂工程被认为是一种可行性强、且经济实用的方法,可以用于调控电解液的微环境。而生物基聚离子液体在AZIBs中的添加剂应用几乎没有被报道,相关研究亟需丰富和补充。同时,添加剂的研究大多局限于单一的阴离子或阳离子,所以运用分子工程并系统地研究电解液内多阴阳离子相互作用是十分重要且新颖的课题。

 


研究内容


鉴于此,贵州大学黄俊特聘教授/谢海波教授利用简单的质子化反应制备了壳聚糖基聚(非质子/质子型离子液体)(CPAPILs-B)多功能添加剂,通过多阴阳离子协同调控电解液和锌阳极界面的锌化学。根据实验表征和模拟计算,CPAPILs-B中的羧酸根和氯离子可以调节溶剂化结构并增强离子传输,同时,质子化胺和季铵阳离子能有效锚定在锌负极上,提供丰富的亲锌位点和均匀的电场,表现出优异的电化学性能。本研究不仅揭示了独特的多阴阳离子相互作用机制,还提出了高效的生物基聚合物添加剂的设计策略,为水系锌离子电池的可持续发展注入了新的活力。该文章发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science上。硕士研究生徐永珍为本文第一作者、博士研究生陈奎为共同第一作者。



图文导读


图1. 不同电解液的物理化学性质研究

 
2. 电解液的基础电化学测试和界面表征
 
3. 电池的循环可逆性研究
 
4. CPAPILs-B调控锌化学的作用机制
 
5. 全电池性能
 


研究结论

使用CPAPILs-B/ZSO电解液的Zn//Zn电池在1 mA cm-2/0.5 mAh cm-2条件下具有5925小时的长循环寿命,在10 mA cm-2/1 mAh cm-2条件下具有1510小时的优越性能,且电压滞后较低。Zn//Cu电池在5 mA cm-2/1 mAh cm-2条件下经过2100个循环表现出优秀的电镀/剥离可逆性,平均库伦效率达到99.8%。值得注意的是,使用CPAPILs-B/ZSO电解液的Zn//MnO2全电池在1 A g-1条件下经过1000个周期仍能保持87.3%的容量,展现出卓越的循环稳定性。本工作提供了一种制备生物基多功能添加剂的简便方法,阐释了分子工程设计概念,并揭示了多阴阳离子协同调节机制在水系锌离子电池中的作用。



文献信息

Zinc Chemistry Regulated by Chitosan-Based Poly(aprotic/protic ionic liquid)s with Multi-Anion-Cation Interactions for Highly Reversible Zn-Ion Batteries, Yongzhen Xu, Kui Chen, Mingwei Xu, Yue Li, Qing Wu, Shizhao Li, Chunhui Xie, Yunqi Li, Haibo Xie* and Jun Huang*.

https://doi.org/10.1039/D4EE05442C


团队介绍


黄俊特聘教授简介:黄俊,博士,贵州大学学科学术带头人,贵州省高层次人才,贵州省教育厅青年科技拔尖人才,博士毕业于南昌大学化学学院,师从国家杰青陈义旺教授。于2021年10月通过贵州大学特区人才引进计划进入贵州大学(特聘教授A岗)。主要从事纳米复合材料的设计合成、性能研究及其在超级电容器、微型超级电容器、锌离子电池中的应用。近五年在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等权威期刊发表SCI论文50余篇(40余篇IF > 10,3篇ESI高被引论文,3篇热点论文),申请10余件国家发明专利,主持国家自然科学基金、贵州省教育厅青年科技拔尖人才项目、贵州省科技成果应用及产业化重大项目、贵州省基础研发项目等,担任Energy Materials, Journal of Electrochemistry, Wearable Electronics等期刊青年编委。

谢海波教授简介:博士生导师,贵州省“省管”专家,贵州省百层次创新型人才,贵州省生物基高分子新材料科技创新人才团队负责人,中国化学会纤维素专业委员会委员,中国化学会应用化学专业委员会委员,中国化学会绿色化学委员会委员,2021年入选中国化学会高级会员,2021年获“贵州省五一劳动奖章”,教育部高校“双带头人”教师党支部书记工作室支部书记;Journal of Renewable Materials, 高分子通报杂志编委。2006年在中科院长春应化所获得有机化学博士学位,2006年7月至2010年2月分别在美国北卡罗来纳州立大学、爱尔兰都柏林城市大学,从事博士后与初级研究员工作。2010年3月通过中科院大连化物所“所级百人计划”人才引进回国工作,任大连洁净能源国家实验室(筹)生物能源研究部任项目研究员。2015年3月,通过“学科学术带头人”高层次人才引进,到贵州大学高分子科学与工程系工作。聚焦生物质资源(秸秆、竹资源)综合利用,在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Applied Catalysis B-environmental, Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Chem. Eng. J., Green Chem., 等杂志共发表SCI论文140余篇,累计他引5200余次。曾获中国化学会纤维素专业委员会首届创新贡献奖;中国林学会“梁希”青年论文三等奖;“离子液体与绿色过程”青年创新奖;辽宁省自然科学二等奖,大连市技术发明一等奖;爱尔兰都柏林城市大学职业启动奖,2020年贵州大学“国华奖”。合作主编英文学术专著1部,参与撰写中英文专著8部;近5年申请中国专利50余项,获得授权专利28项。在重要国际、国内学术会议上做大会报告3次,邀请报告40余次;中国化学会第三届全国纤维素学术研讨会、第四届国际生态环境高分子材料研讨会、第三届非粮生物质高值化利用论坛共同主席,2009年第30届美国环境毒理与化学年会“绿色生物炼制”分会,2015泛太平洋地区化学会议(Pacifichem2015)木质素转化分会共同主席;中国化学会第一届全国纤维素学术研讨会纤维素绿色转化分会主席。

  • DOI

    https://doi.org/10.1039/D4EE00881

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