郑大周震/靳绪庭/宋丽/清华曲良体/中科院刘峰Angew：极性诱导策略构建1.94V放电平台的高电压锌基电池

企业 2024-10-31 14:40 天津

近日，郑大化工学院在水系锌基电池领域取得新进展，相关成果以“Solvent Polarity-Induced Regulation of Cation Solvation Sheaths for High-Voltage Zinc-Based Batteries with a 1.94 V Discharge Platform”为题，在国际高质量期刊《Angewandte Chemie International Edition》发表研究性论文。郑州大学化工学院为第一单位，靳绪庭副研究员为论文第一作者。其中，郑大周震教授、郑大河南先进研究院宋丽副研究员、中科院力学所刘峰副研究员和清华大学曲良体教授为共同通讯作者。

当前水系锌基电池由于其高理论容量、低成本、高安全性而受到广泛关注。然而，受限于传统水系电解质在高电压条件下较差的电化学稳定性，基于常规水系电解质的电池显示出窄电压窗口和低放电电压平台，导致低能量密度。为了解决这个问题，高浓度盐由于其宽的电化学窗口一度被认为是有前途的候选。不幸的是，这些最先进的电解质并没有有效地改善锌基电池的电压平台。锌基电池的工作电压和放电平台较低的问题也导致水系锌基电池无法与锂电池竞争。同时，高浓度也增加了电解质的粘度，阻碍了离子传输，并显著提高了成本。为了克服这些问题，我们介绍了一种新的策略，即溶剂极性诱导阳离子溶剂化鞘调控策略来构筑最大放电平台可以达到1.94 V的高压锌基电池。具体如下：1. 我们利用二甲基亚砜的强极性来调节阳离子溶剂化鞘结构，制备了一种低浓度和高电压的混合电解质。在这个过程中，阳离子溶剂化结构从H₂O-M-TFSI到H₂O-M-DMSO (M代表锂或锌离子，TFSI:双三氟甲烷磺酰基酰亚胺负离子)。这种转变导致混合电解液体系中水分子活性显著降低。这主要可以归因于DMSO和水分子之间的强氢键以及阳离子和水分子之间的强配位。因此，即使在低浓度下，这种混合电解质也可以实现比之前报道的高浓度电解质更宽电压窗口。2. 通过对不同极性有机溶剂如乙醇、乙腈、丙酮和二甲基亚砜进行研究，同时结合分子动力学模拟和实验数据显示，较高的溶剂极性可以降低锌离子/锌的氧化电位，因而将锌基电池的放电电压平台可以提高到1.9 V以上。同时，构筑的锌基电池也显示了优异的循环性能。3. 微电子技术在智能医疗植入物、智能电子皮肤和无线传感器等领域的快速发展引起了对高安全性水性锌基微电池的需求。然而，已报道的水性锌基微电池的放电电压平台较低，不能满足实际需求。在这项工作中，利用我们极性诱导策略制备的混合电解液也可以将锌基微电池的放电平台提升至1.94 V，明显优于已经报道的水系锌基微电池。

图1. 电解液的物理特征和电化学特性

图2. 电解液的结构和电化学窗口

图3. 含有不同极性溶剂的电解液的电化学性能

图4. 含有不同电解液的锌基电池的电化学性能

图5. 电池充放电过程中的机理分析

图6. 微电池的电化学性能测试及应用

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* Solvent Polarity-Induced Regulation of Cation Solvation Sheaths for High-Voltage Zinc-Based Batteries with a 1.94 V Discharge Platform. Angewandte Chemie International Edition, 2024, DOI: 10.1002/anie.202418682.

作者简介

靳绪庭（第一作者）现为郑州大学化工学院直聘研究员/副研究员，博士毕业于北京理工大学化学与化工学院，师从曲良体教授。于2022年8月入职郑州大学化工学院，主要从事水系锌基电池/微型储能器件的研究。先后主持国自然科学基金面上项目、国自然科学基金青年项目、中国博士后面上项目等。目前以一作或通讯在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等发表学术论文13篇。

宋丽（通讯作者）现为郑州大学先进技术研究院直聘副研究员，博士毕业于天津大学材料学院，2019年-2022年在北京理工大学从事博士后研究，合作导师曲良体教授。于2023年5月入职郑州大学先进技术研究院，主要从事水系锌基电池、超级电容器、微型储能器件的研究。目前以一作或通讯在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater.等发表多篇SCI学术论文。

刘峰（通讯作者）现为中国科学院力学所副研究员，主要从事多尺度多场耦合力学研究，致力于先进材料力学、电学以及化学性能相关的基础前沿问题研究，以一作或通讯在Nat. Commun., PRL, Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等发表学术论文多篇。

曲良体（通讯作者）现为清华大学化学系教授，教育部长江特聘教授，国家杰出青年基金获得者，“万人计划”科技创新领军人才。围绕碳纳米材料、石墨烯、碳纳米管、导电与功能高分子的可控制备、功能修饰与组装开展研究，探究其在先进功能材料、高效能量转化与储存等方面的应用。研究领域涉及纳米与材料化学、电化学、绿色能源、柔性电子与储能器件等，例子包括石墨烯超结构、智能响应高分子、海水淡化、空气发电、新型电化学电池/电容器、微型能源器件及柔性器件等。在Nature, Science, Nat. Nanotech., Nature Water, Sci. Adv., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc, Adv. Mater.等国际重要期刊发表SCI论文200多篇，论文他引近3万次，单篇论文最高他引超3000余次。受邀请在Nature Reviews Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews等撰写综述论文20余篇，英文专著6章，国际国内发明专利30余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。主持科技部重点研发计划、国家基金委重点项目等多项。

周震教授（通讯作者）现为郑州大学化工学院教授，化工学院院长、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究。通过高通量计算、机器学习与实验相结合揭示电化学储能新机制，设计系列锂/钠离子电池新材料，构筑可充电Li-CO₂电池储能新体系。在国内外期刊发表论文350余篇。论文被引用44000余次，h-index为120。2014-2023年连续十年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2023年连续六年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《过程工程学报》等期刊编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。

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