研究背景
研究内容
研究亮点
⭐电子-离子双通道界面与海藻酸钠复合凝胶电解质的设计
通过简单的涂覆方法将聚合物PEDOT:PSS复合在海藻酸钠电解质(SA)上，从而构建SA凝胶电解质/锌金属界面的电子-离子双传输通道层。研究发现两个层之间有化学键的联系，并且复合电解质具有良好的机械性能。
⭐电子-离子双通道改善锌金属稳定性和促进锌沉积/剥离动力学机制揭示
界面采用聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)构建电子-离子双传输通道。具体来说，PEDOT链将通过共轭π-π键提供电子转移通道，并促进Zn电镀/剥离过程中的快速电荷交换。线性PSS聚合物链可以通过-SO3-基团与Zn2+离子之间的静电相互作用提供均匀的离子传输通道，加速Zn2+离子的迁移。两个通道的协同作用既可以促进锌离子在界面的均匀迁移和沉积，抑制锌枝晶；又可以加速锌离子的快速的沉积/剥离，从而避免界面极化和提升电池高电流耐受性。
⭐高沉积/剥离电流密度和长寿命锌阳极及全电池的实现
各个表征表明锌枝晶和副产物得到明显抑制，锌//锌对称电池实现了1 mA cm-2和1 mAh cm-2下6750 h(>9个月)的超长寿命和50 mA cm-2的超高电流承受能力。在10 mA cm−2的高电流密度下，可实现超稳定的镀/剥离锌，累计容量为20.5 Ah cm−2；在高锌利用率为60%的情况下，循环寿命可达520 h。以二氧化锰为阴极的全电池在1 A g−1下的4000次循环中也表现出优异的循环稳定性。
图文导读
▲通过红外、拉曼表征，与 LE相比，SA凝胶电解质中自由水明显减少，并且呈现呈现出溶剂分离离子对(SSIPs)到接触离子对(CIPs)的转化，MD模拟结果表面SA凝胶电解质中的聚合物链对Zn2+离子的溶剂化结构进行了重塑。重塑的溶剂化结构有利于水合Zn2+离子的解离，从而抑制水分解和副反应。一系列的实验和理论模拟共同证实了SA凝胶电解质可以重塑Zn2+离子的溶剂化结构。
▲团队进行了一系列的实验和模拟，证明电子-离子双传输层对Zn2+离子迁移动力学和电镀化学的影响。PEDOT链具有均匀的共轭电荷分布，这是由PEDOT链内共轭π-π键引起的。这一特性使PEDOT链能够作为有效的电子转移通道，促进Zn 电镀/剥离过程中的快速电荷交换。而线性PSS聚合物链则提供了一个离子传输通道，利用- SO3-基团与Zn2+离子之间的静电相互作用来加速Zn2+离子的迁移。迁移能垒计算、原位拉曼以及拉曼mappping, DRT分析、离子电导和迁移数对比均有力证明了EIDC层能明显提升锌离子动力学。
▲通过电化学测试评估了锌沉积/剥离行为的稳定性。对称电池的恒流和倍率测试表明，SA/EIDC凝胶调控策略具有更加优异的循环稳定性。特别在循环稳定性方面，显著的优于之前已经报道过的凝胶电解质。
图5. 锌沉积形貌和副产物研究
图6. 全电池性能和器件研究
▲在全电池的循环过程中，SA/EIDC凝胶电解质也同样实现了超稳定的循环。在倍率和CE方面，性能也有显著优势。在器件演示上，无论是在弯曲、折叠，还是被剪开的条件下，都能够正常输出电压。这为先进电解质系统的设计开辟了道路，这些系统能够推动储能技术的发展。
研究结论
文献信息
团队介绍
朱前程博士，1993年生，男，河北大学物理科学与技术学院，校聘教授，硕士生导师，河北省青年拔尖人才。2019年10月至2020年10月赴美国休斯敦大学德州超导中心进行联合培养，师从著名华人科学家任志锋教授；2021年6月获得华中师范大学理学博士学位；2021年8月以“高层次人才”引进至河北大学物理科学与技术学院从事教学与科研工作。主要从事水系离子电池、超级电容器、光辅助锌电、有机系钠/钾离子电池等储能方面的研究，以第一作者或通讯作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Science Bulletin和Energy Storage Materials等高水平期刊发表SCI论文20多篇。主持国家自然科学青年基金，河北省自然科学基金青年基金1项和河北省留学人员资助项目1项，参与国家级、省级项目多项。获得湖北省“长江学子”创新奖、国际科学组织Vebleo Fellow等荣誉。
张文明教授，河北省杰青，河北省青年拔尖人才，河北大学优秀坤舆学者，海南大学材化学院客座教授，主要从事先进材料与能源器件研究。主持参与3项国家基金，主持省部级项目10余项。在Small、 JMCA、CEJ等JCR一区及二区杂志发表论100余篇，获得多项授权发明专利，主编国家级教材1部，参编国家级教材3部。先后承担《普通物理》、《信号检测与数据处理》、《电路分析》、《文献检索与科技论文写作》、《创业基础》等本科生和研究生课程。指导大学生竞赛获得10余个国家级和省级奖励，本人获得“省级优秀指导教师”称号，2021年获河北省自然发明三等奖。
赵丹阳博士，2023年毕业于华中师范大学物理学院，入职河北农业大学校聘副教授。近年来在水系锌离子电池材料制备及储能机理揭示方面做了相应的研究，取得了一些成果，在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal、Energy & Environmental Materials等期刊杂志共发表SCI论文10多篇。
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水系储能
