『水系锌电』浙师大郭强/北京力学所刘峰/广东工业大学叶明晖ACS Energy Letters:原位生成可逆锌负极两性离子界面

文摘   2024-09-29 08:36   英国  

研究背景


水系锌离子电池具有理论容量高、制备简单、环境友好的优势,已成为现代电气设备和大型储能系统的有力候选系统。长期循环稳定性是实现此类应用的先决条件。然而,水系锌离子电池的实际应用受到锌枝晶穿刺的阻碍,这是电化学动力学和传质动力学之间权衡的结果。


研究内容


鉴于此,浙江师范大学郭强博士团队及其合作者通过原位聚合方法在Zn表面构建了一个两性离子聚合物层。该缓冲层的交联聚合物框架具有亲锌和带负电荷的磺酸盐基团,具有大量连续的离子传导通道,可加速Zn2+的迁移,抑制SO42−的扩散,并阻止水分子的侵入,从而最终使电场均匀化并避免寄生反应。这些综合优点使Zn负极具有增强的循环可逆性和动力学。这些综合优点使Zn负极具有增强的循环可逆性和动力学。因此,聚合物界面可实现前所未有的电池性能,包括在Zn-Zn对称电池中 0.5 mA cm-2 下 7400 小时、1 mA cm-2 下 3450 小时、5 mA cm-2 下 1200 小时、10 mA cm-2 下 780 小时和 20 mA cm-2 下 140 小时的超长寿命;在Zn-Cu非对称电池中6200次循环后具有高库仑效率 (CE);在 Zn-I2全电池中具有更高的放电容量和循环稳定性。

其成果以题为 " In Situ Generated Zwitterionic Interface for Reversible Zn Anodes" 在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表。郭强博士为第一作者兼通讯作者、中国科学院力学研究所刘峰副研究员、广东工业大学叶明晖副教授为共同通讯作者。


研究亮点


通过聚合物界面的构筑,增加连续的离子传导通道,加速Zn2+的迁移,抑制SO42−的扩散

结合理论计算和电化学表征,揭示了该界面的作用机制。

组装的对称电池、非对称电池和全电池的电化学性能得到提升。 

 

图文导读


图1. 聚合物界面的表征和计算
 
图2. 分子动力学模拟 
 

图3. 电化学表征

 
图4. 对称电池测试
 
图5. 非对称和全电池测试
 

研究总结


由于聚合物中存在亲金属基团,因此引入的方法也可用于保护其他金属负极。考虑到本研究中涉及的单体制备,选择简单的单体以避免复杂的制造工艺是非常必要的,并且可能有助于锌负极的实际应用。本研究中提出的设计概念可能会启发更多具有所需性能的先进锌阳极界面设计。


文献信息

Qiang Guo,* Weixing Mo, Jianhang Huang, Feng Liu,* Minghui Ye,* and Jiecheng Cui,In Situ Generated Zwitterionic Interface for Reversible Zn Anodes. ACS Energy Letters, 2024., DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02235.


团队介绍

郭强2022年加入浙江师范大学(付大伟教授团队)。研究方向专注于新型清洁能源材料和铁电材料的研究,研究方向涉及新型二维材料(硅烯、硅氧烯、锗烯等)的制备及应用、各种离子电池(常规电池、柔性电池和微电池)、电容器(常规电容器、柔性电容器和微电容器)、光热产水、铁电材料的制备。以第一/通讯作者共发表论文20余篇,包括Energy & Environmental Science、ACS Energy Lett.、ACS Nano、ACS Materials Lett.、CCS Chem.、Carbon Energy等国际著名期刊。

  • DOI

    https://doi.org/10.1039/D4EE00881

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