『Angew』郑州大学周震教授团队:具有1.94 V放电平台的高压锌基电池的阳离子溶剂化鞘的溶剂极性诱导调节

学术   2024-10-18 08:01   湖北  
全文摘要
为了应对水系锌基电池中低放电平台(<1.5 V)的挑战,已经探索了高浓度盐,因为它们具有较宽的电化学窗口(~3 V)。然而,这些电解质主要阻止阳极的析氢和枝晶生长,而不会显著提高电压性能。在本文中,郑州大学周震教授 宋丽&中国科学院刘峰&清华大学曲良体教授团队介绍了一种方法,通过调整溶剂极性来调节杂化电解质中的阳离子溶剂化鞘,降低Zn/Zn2+氧化电位和水活度。通过强阳离子-水配位以及二甲基亚砜与水之间的氢键,设计的电解质在低浓度下实现了比传统浓电解质更宽的电化学窗口(4 V)。使用这种电解质,Zn/Zn电池显示出令人印象深刻的4340次循环寿命,而Zn/锰酸锂电池提供了超过1.9 V的高放电平台,具有出色的循环稳定性。采用聚乙烯醇基混合电解质的锌基微型电池也实现了创纪录的1.94 V放电平台。这项工作为开发用于高性能可持续储能的低浓度电解质提供了一种有前途的策略。
图文速递


图1:电解质的物理特性和电化学特性

a)不同剪切速率下的粘度;b)不同电解质与LMO电极的接触角。c)EIS曲线。d)HCZn电解质和e)DW 3.5-0.17电解质下Zn/LMO电池的CV曲线。f)不同电解质Zn/LMO电池放电电压平台。在电极附近增加锌离子后,g)HCZn电解质和h)DW 3.5-0.17电解质的能量。i)低频区Z′与EIS的w-1/2的对应关系。插图:计算出的相对于HCZn电解质的离子扩散系数D。j)HCZn和DW 3.5-0.17电解质中离子输运示意图。除去电极附近Li离子后,k)HCZn电解质和l)DW 3.5-0.17电解质的能量。



图2:电解质的结构和电化学窗口

a)HCZn和b)DW 3.5-0.17电解质的MD模拟电池。c)在HCZn电解质和d)在DW 3.5-0.17电解质中的溶解结构。e)Li-O(TFSI)和f)H2O-H2O在不同电解质中的径向分布函数(RDF) g(r)和相应的配位数。g)DW 5 (DMSO与水的体积比为5:1)和DW 3.5-0.17电解质和h)水和HCZn电解质的17O核磁共振波谱。i)1H NMR谱,j)730 cm-1~770 cm-1的拉曼光谱,k)不同电解质在0.2 mV s-1下的DSC曲线和l)LSV曲线。基于m,n)HCZ电解液和o,p)DW 3.5-0.17电解液去除电极界面水分子前后的水分子分布。q)模拟计算时不同电解质最终状态下电极附近的水分子数。



图3

a)溶剂静电势图。b)不同电解质在0.2 mV s-1下的LSV曲线。c)不同电解质中H2O-H2O的径向分布函数(RDF) g(r)和相应的配位数。基于d)EtW 3.5-0.17, e)ACW 3.5-0.17和f)ANW 3.5-0.17电解质去除电极界面水分子前后的水分子分布。g)模拟计算时不同电解质最终状态下电极附近的水分子数。h)水分子的分布;i)假设不同原子电荷DW 3.5-0.17初始和终态时电极附近的水分子数。j)电化学电压窗的比较。k)不同电解质Zn/LMO电池的最大放电电压平台。在电极附近增加锌离子后,l)ANW 3.5-0.17, m)ACW 3.5-0.17和n)EtW 3.5-0.17电解质体系的能量。o)不同电解质体系的能量比较。p)在电极附近增加锌离子后,具有不同原子电荷的DW 3.5-0.17溶液的能量。q)不同电解质Zn/LMO电池在0.1 A g-1和r)10次循环后GCD曲线对应的循环性能。



图4:不同电解质对Zn/LMO电池电化学性能的影响

a)使用DW 3.5-0.17电解液时Zn/LMO电池GCD曲线。b)不同电解质Zn/LMO电池的倍率性能,c)GCD曲线,d)Ragone图。e)在0.35 mA cm-2下,HCZn和DW 3.5-0.17电解质对对称Zn/Zn电池循环稳定性的比较。f)使用DW 3.5-0.17的对称型Zn/Zn电池在0.15 mA cm-2下的循环稳定性。g)DW 3.5-0.17电解液下Zn/LMO电池的循环性能。h)循环稳定性对比。i)最大放电电压平台比较。j)Zn/LMO电池不同电压平台的比较。



图5:机制分析

锌阳极在a)2.2 V的完全充电状态和b)1.4 V的完全放电状态下的SEM图像。c)Zn/LMO电池在0.1 A g-1时的GCD曲线和d-g)不同充放电阶段LMO的相应XPS。h-o)在DW 3.5-0.17电解液下Zn/LMO电池充放电过程中的原位XRD。p)DW 3.5-0.17电解液下Zn/LMO电池的充放电过程。



图6:MBs的电化学性能

a)Zn/LMO MBs工作机理示意图。b)GCD曲线和c)Zn/LMO MBs的面容量。d)GCD曲线和e)不同弯曲角度下MBs的容量保持。f)循环性能。g)能量密度与最大放电电压平台比较。h)一个定时器和i)9个由单个微器件供电的红色led的光学照片。

研究结论
综上所述,本文引入了一种基于溶剂极性的策略来调节阳离子溶剂化鞘层,有效地降低了Zn/Zn2+的氧化电位,降低了水的活度。这种方法使DW 3.5-0.17电解质即使在低浓度(<3.4 m)下也能实现4 V的宽优势窗口,优于先前报道的高浓度电解质。使用这种电解质,Zn/LMO电池表现出令人印象深刻的1.9 V以上的放电平台和卓越的循环稳定性,为Zn/LMO电池树立了基准。此外,在PVA/DW 3.5-0.17的凝胶电解质下,柔性锌基微电池提供了1.94 V的高放电平台和494.5 μWh cm-2的能量密度。这项研究为设计具有宽电压窗的低浓度水性电解质提供了有价值的见解,为可持续能源存储解决方案提供了一条通向安全、经济、高性能锌基电池的有希望的途径。
原文链接

Solvent Polarity-Induced Regulation of Cation Solvation Sheaths for High-Voltage Zinc-Based Batteries with a 1.94 V Discharge Platform

Xuting Jin,Guobin Lai,Xinyi Xiu,Li Song*,Xiangyang Li,Chunlong Dai,Meng Li,Zhonggui Quan,Bin Tang,Gonglei Shao,Zhipan Zhang,Feng Liu*,Liangti Qu*,Zhen Zhou*
https://doi.org/10.1002/anie.202418682



水系能源
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