『AEM』四川大学张千玉团队:调节水活度和氢键网络的水凝胶电解质用于超稳定锌电极

学术   2024-10-16 08:00   湖北  
全文摘要
准固态锌离子电池(QZIBs)因其优异的尺寸稳定性和高安全性而受到广泛关注。然而,离子传导能力差、枝晶生长严重和猖獗的副反应仍然阻碍了它们的商业化。Zn2+溶剂化结构的调节被认为是解决这些问题的有效方法。在此,四川大学张千玉团队通过四甲基脲(TMU)添加剂和聚乙烯醇(PVA)基质的组合设计了具有调节溶剂化结构(HE-RS)的水凝胶电解质。TMU的亲水性─C═O基团与PVA链表现出很强的亲和力,提高了PVA基体的机械强度。TMU两端的─N(CH3)2基团表现出很强的疏水特性,局部疏水性和水活度降低。此外,PVA和TUM上丰富的含氧(负电)基团可以吸附Zn2+并为Zn2+转移提供站点。得益于这些优点,Zn2+溶剂化结构和沉积行为受到调节。因此,带有HE-RS的Zn||Zn对称电池表现出超过2000 h的稳定循环寿命。此外,基于HE-RS的Zn||NH4V4O10电池在2 A g-1下循环1000次后表现出96.4%的容量保持率。
图文速递


图1:HE-RS电解质和正常电解质的溶剂化结构和Zn2+沉积行为示意图



图2

a)不同水凝胶电解质的拉伸应力-应变曲线。b)水凝胶电解质的FTIR曲线。c)H2O的1H核在不同电解质中的化学位移。d)计算H2O-H2O H键在不同电解质中的数量。e)─SO3-的特征拉伸振动。f)来自密度泛函理论(DFT)计算的H2O-TMU,H2O-PVA和H2O-H2O的形成能。g)重建的H键网络工作原理的示意图。



图3:Zn2+溶剂化结构的MD模拟

(a)HE和(b)HE-RS的相应RDF图。c)不同电解质中MD模拟单元的快照。d)LE、HE和HE-RS中代表性溶剂化结构的ESP图。



图4

a)LE、HE和HE-RS中浸泡Zn金属的SEM图像。b)Zn负极在不同电解质中的Tafel图。c)26℃时使用各种电解质的离子电导率。d)Zn||Zn对称电池在各种电解质中的计时安培试验,在-150 mV的恒定电压下。e)在电流密度为1 mA cm-2的Zn||Cu细胞上观察到成核过电位。f) 透明对称槽中不同电解质锌表面的原位光学显微镜图像。g)在HE-RS中循环50次后Zn阳极的3D轮廓仪图像。



图5

a)Zn||Zn对称电池的电化学试验。b)Zn||Zn对称电池速率能力测试图。c)在1 mA cm-2的对称电池中,本工作与以往水凝胶电解质工作的累积容量比较。d)Zn||NH4V4O10全电池1 A g­-1下的长期循环性能。e)Zn||NH4V4O10电池在HE-RS中的存储性能比较,方法是在1 A g-1的100%充电状态下静置24 h,然后完全放电。

研究结论
综上所述,HE-RS通过引入TMU进行了合理的设计和构建。分子动力学模拟结果表明,HE-RS中Zn2+的溶剂化结构受到调控。Zn2+周围的H2O分子被TMU和PVA取代,抑制了有害HER和锌枝晶的生长。DFT表明,H2O分子更倾向于与TMU和PVA的含氧基团相互作用,破坏了自由H2O分子之间固有的氢键,减少了自由水的数量。结果表明,基于HE-RS的对称电池具有优异的库仑效率(在0.5 mA cm-2下平均CE为99.3%)和优良的循环稳定性(超过2500 h)。此外,组装的Zn||NVO电池具有优异的循环和倍率性能,在2 A g-1电流密度下循环1000次后容量保持率为96.5%。毫无疑问,这种具有调节溶剂化结构的策略从根本上提高了QZIBs的电化学性能。
原文链接

Hydrogel Electrolyte with Regulated Water Activity and Hydrogen Bond Network for Ultra-Stable Zinc Electrode

Hao Tian,Meng Yao,Yi Guo,Ziyang Wang,Dinghao Xu,Wei Pan,Qianyu Zhang*
https://doi.org/10.1002/aenm.202403683



水系能源
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