『NC』四川大学刘颖 林紫锋 赵江琦团队:锌碘电池的三方协同优化策略

学术   2024-11-11 08:01   湖北  
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全文摘要
能源行业已经注意到锌碘(Zn-I2)电池的高安全性,低成本,和诱人的能量密度。然而,阴极电极上I3-副产物的穿梭和锌金属阳极上的枝晶问题导致循环寿命短。在此,四川大学刘颖教授&林紫锋研究员&赵江琦副研究员团队提出了一种三方协同优化策略,包括MXene阴极主体、正丁醇电解质添加剂和原位固体电解质界面(SEI)保护。MXene具有提高反应动力学和减少I3-副产物的催化能力。同时,部分溶解的正丁醇添加剂可以与MXene协同抑制I3-的穿梭。此外,电解液中的丁醇和I-可以协同改善Zn2+的溶剂化结构。此外,在锌阳极表面原位生成了有机-无机杂化SEI,诱导了稳定的非枝晶锌沉积。结果表明,该电池在5 A g-1的高比电流下具有0.30 mAh cm-2的高容量和0.34 mWh cm-2的优越能量密度,经过30000次循环,每个循环的最小容量衰减为0.0004%。这项工作为后续全面提高电池性能的研究提供了一个有希望的策略。


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图文速递






图1:Zn-I2电池的设计原理

阴极主体、电解质添加剂和原位阳极保护层三方协同优化策略示意图。







图2:Ti3C2Tx MXene阴极主体的形态与电化学性能

a TMX的SEM,b AFM图像。c 阴极主体为TMX和CC的ZSI电解液充电至1.8 V后的紫外可见光谱。d TMX和CC对I3-的表面吸附能值。e (i)CC和(ii)TMX的分子间长度变化以吸收I3-f (i)CC和(ii)TMX吸收I3-的电荷密度差等值线图。浅蓝色和黄色分别表示电荷消耗和积累。g 在0.2 mV s-1下,TMX和CC样品的CV曲线。h 初始放电阶段和充电阶段的塔菲尔斜率。i TMX的恒流充放电(GCD)曲线。j TMX和CC的速率性能比较。k TMX和CC在5 A g-1时的容量和库仑效率。







图3:电解液的表征与模拟

a ZSI-n的MD仿真盒快照。b ZSI-n的快照放大视图。c ZSI-n中与Zn2+配位键的RDFs。d ZS、ZSI和ZSI-n的1H NMR谱。e 三种电解质的FTIR在900和1400 cm-1之间。f拟合三种电解质的FTIR。(g) 2600-3800 cm-1、(h) 950-1020 cm-1、(i) 300-500 cm-1之间的拉曼光谱。







图4:锌阳极在不同电解质中的稳定性及机理分析

a 1 mA cm-2下Cu表面恒流锌沉积的电压分布。b CA在不同电解质中的测试。c Zn//Cu电池在三种电解质中的CE分布。d 在1 mA cm-2下工作的对称电池。e 金属锌在三种电解质中的表面能值。f ZS、ZSI和ZSI-n中Zn沉积过程中Zn/电解质界面的光学显微镜图像。g 在三种电解质中循环后锌阳极表面的高分辨率TEM图像。h 锌阳极在ZSI-n中循环后的LCSM图像。i 水、SO42-、I-和正丁醇在Zn(002)平面上的表面吸附能值。







图5:以MXene为阴极主体,ZS/ZSI/ZSI-n为电解液,锌为阳极的全电池电化学性能

a 在0.4 mV s-1下ZS、ZSI和ZSI-n的CV曲线。(b)ZS、(c)ZSI、(d)ZSI-n的恒流充放电(GCD)曲线。e ZS、ZSI、ZSI-n的速率性能比较。f 我们的电池与其他报道的Zn-I2电池的循环次数、比电流和容量比较。g 以ZS、ZSI和ZSI-n为电解液,在5 A g-1下的全电池循环能力。


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研究结论
为了解决Zn-I2电池在高比电流下循环寿命短的问题,本文提出了阴极主体、电解质添加剂和原位阳极保护三方协同优化策略。TMX作为阴极主体,没有任何活性物质,为碘的生成提供了充足的活性位点,提高了反应动力学,并限制了副产物I3-向阳极电极的移动。同时,由于悬浮正丁醇对I3-的吸附能力强,进一步与MXene协同作用,限制了I3-的移动。此外,溶解在电解质中的正丁醇,其富电子基团通过减少溶剂化结构中Zn2+与水之间的结合,促进了溶剂化过程。同时,在锌阳极表面,正丁醇的吸附引起不同晶面表面能的变化,促进锌向(002)晶面生长。并在锌表面形成保护性固体电解质界面(SEI),有效抑制锌枝晶的形成。总的来说,本文通过理论计算和实际应用的结合,深刻地揭示了协同效应在构建先进Zn-I2电池中的成功。因此,全电池表现出卓越的性能,在30000次循环中实现了0.30 mAh cm-2的容量和0.34 mWh cm-2的能量密度,每次循环的容量衰减率为0.0004%。本工作提供了一种有希望的协同方法,为在高电流密度下工作的高容量和长寿命Zn-I2电池开辟了新的可能性。


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研究结论
为了解决Zn-I2电池在高比电流下循环寿命短的问题,本文提出了阴极主体、电解质添加剂和原位阳极保护三方协同优化策略。TMX作为阴极主体,没有任何活性物质,为碘的生成提供了充足的活性位点,提高了反应动力学,并限制了副产物I3-向阳极电极的移动。同时,由于悬浮正丁醇对I3-的吸附能力强,进一步与MXene协同作用,限制了I3-的移动。此外,溶解在电解质中的正丁醇,其富电子基团通过减少溶剂化结构中Zn2+与水之间的结合,促进了溶剂化过程。同时,在锌阳极表面,正丁醇的吸附引起不同晶面表面能的变化,促进锌向(002)晶面生长。并在锌表面形成保护性固体电解质界面(SEI),有效抑制锌枝晶的形成。总的来说,本文通过理论计算和实际应用的结合,深刻地揭示了协同效应在构建先进Zn-I2电池中的成功。因此,全电池表现出卓越的性能,在30000次循环中实现了0.30 mAh cm-2的容量和0.34 mWh cm-2的能量密度,每次循环的容量衰减率为0.0004%。本工作提供了一种有希望的协同方法,为在高电流密度下工作的高容量和长寿命Zn-I2电池开辟了新的可能性。


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原文链接

A tripartite synergistic optimization strategy for zinc-iodine batteries

Weibin Yan,Ying Liu*,Jiazhen Qiu,Feipeng Tan,Jiahui Liang,Xinze Cai,Chunlong Dai,Jiangqi Zhao*,Zifeng Lin*
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53800-6


水系能源
科研人一枚,定期分享锌、锂、钠、钾、镁、锰等水系电池及电容器相关的文章,不定期更新热门专题系列
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