鋅離子電池的實(shí)際應(yīng)用面臨著傳統(tǒng)電解質(zhì)中枝晶生長、副反應(yīng)和陰極溶解等挑戰(zhàn)。在這里，開發(fā)了一種高導(dǎo)電性和動(dòng)態(tài)離子篩選的電解質(zhì)，同時(shí)提高鋅金屬的可逆性和抑制陰極溶解。在電極/電解質(zhì)界面上，通過半徑為3.69 Å的多個(gè)旋烷環(huán)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)屏蔽，選擇性地促進(jìn)了[Zn(H
2O)
6]
2+和Zn
2 +在陽極和陰極表面的電鍍/剝離和插入/提取過程。作為概念證明，Zn//Zn對(duì)稱電池提供了超過6,800 h的卓越循環(huán)穩(wěn)定性和1.95 Ah cm
−2的超高累積鍍?nèi)萘俊ｄ\/Na
2Mn
3O
7電池具有良好的循環(huán)性能，循環(huán)4000次后容量保持率為82.7%，組裝后的袋狀電池具有良好的穩(wěn)定性和耐用性。這項(xiàng)工作為開發(fā)旨在提高水性電池界面穩(wěn)定性的電解質(zhì)提供了有價(jià)值的見解
圖1. 與傳統(tǒng)的ZnSO
4電解質(zhì)相比，設(shè)計(jì)的HCDISE的強(qiáng)化機(jī)理示意圖。
圖2. a) MD模擬得到的HCDISE三維圖像和相應(yīng)的Zn
2+溶劑化結(jié)構(gòu)。b)在HCDISE的MD模擬中收集的RDF和c) Zn
2+-O的配位數(shù)。d)不同HDP濃度下ZnSO
4的
2H NMR譜和e) FTIR譜。f)不同EHS濃度下ZnSO
4的
2H NMR譜和g) FTIR譜。h) Zn-H
2O、Zn-EHS、Zn-HDP、H
2O-EHS和H
2O-HDP的結(jié)合能及其結(jié)構(gòu)。i) [Zn(H
2O)
6]
2+和[Zn(H
2O)
5EHS]
2+分子的靜電勢圖。
圖3. a) HDP、EHS和H
2O分子的LUMO、HOMO等表面。b) Zn-H
2O、Zn-EHS、Zn-HDP的吸附能。c)原始和EHS調(diào)節(jié)的水合離子結(jié)構(gòu)的部分態(tài)密度(PDOS)。d)不同電解質(zhì)接觸角試驗(yàn)。e)不同電解質(zhì)下的Arrhenius曲線和活化能。f) HCDISE的Zn
2+轉(zhuǎn)移數(shù)。
圖4. a) -c)純ZnSO
4和d) -f)鍍30,60和90 min后的HCDISE鋅陽極的SEM圖像。g) HCDISE的HRTEM圖像和SAED圖案。h) HCDISE沉積后鋅陽極的XRD圖譜。i) Zn沉積過程的原位光學(xué)顯微照片。j)、k)沉積90 min后Zn陽極的LSM圖像和相應(yīng)的表面粗糙度曲線。l)純ZnSO
4和HCDISE在-150 mV過電位下Zn陽極的時(shí)程電流圖。插圖:Zn
2 +擴(kuò)散和還原過程的類型。
圖5. a)鋅陽極在不同電解質(zhì)中的Tafel腐蝕曲線。b)滴注不同體積KOH溶液后，純ZnSO
4電解質(zhì)和HCDISE的pH值。c) Zn/ Ti電池在1 mA cm
-2 /0.5 mA h cm
-2下的CE圖和d)不同循環(huán)下的相應(yīng)電壓分布圖。e)在0.5 ~ 8 mAcm
-2的不同電流密度下，HCDISE和純ZnSO
4電解質(zhì)在Zn// Zn對(duì)稱電池中鋅陽極剝離/鍍鋅電壓分布圖。f)含HCDISE和純ZnSO
4電解質(zhì)的對(duì)稱電池的Arrhenius曲線。HCDISE和純ZnSO
4電解液Zn//Zn電池在電流密度為g) 0.5 mA cm
-2 /0.5 mAh cm
-2和h) 1 mA cm
-2 /1 mA cm
-2時(shí)剝離/鍍鋅的電壓-時(shí)間曲線比較i)本研究實(shí)現(xiàn)的循環(huán)可逆性與以往研究結(jié)果的比較。j) HCDISE中鍍鋅行為示意圖。
圖6. a)純ZnSO
4和HCDISE對(duì)Zn//NMO細(xì)胞CV曲線的影響。b)各峰對(duì)應(yīng)的log(i)與log(v)曲線圖。c)純ZnSO
4和d) HCDISE對(duì)Zn//NMO電容貢獻(xiàn)的比較。e)用純ZnSO
4和HCDISE制備Zn//NMO的速率性能。f)在電流密度為2 A g
-1時(shí)，純ZnSO
4和HCDISE對(duì)Zn//NMO的容量保持。g)本研究取得的績效與其他ZIBs記錄的結(jié)果的比較。h)大規(guī)模涂覆NMO的Ti箔光學(xué)圖像。i) Zn/ NMO袋狀電池示意圖。j)電流密度為50mA g
-1時(shí)Zn//NMO袋狀電池的容量保持率。k) Zn//NMO袋狀電池在初始、串聯(lián)和并聯(lián)配置下的電位曲線。
圖7.a) HDP與NMO的電荷密度差(帶有半透明黃色色調(diào)的團(tuán)簇表明電子密度升高，而帶有氰色的團(tuán)簇表明電子密度降低)。b) NMO在純ZnSO
4和HCDISE中浸泡不同時(shí)間后的XRD譜圖。c)兩種電解質(zhì)與陰極的接觸角。d)第二循環(huán)的電壓曲線和陰極的非原位XRD圖。e) Zn 2p的二維輪廓圖f) Mn 2p的XPS光譜。g)電化學(xué)過程中Zn
2+在NMO陰極可逆嵌入/脫嵌的示意圖。
相關(guān)研究成果由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
Cuiping Han和Hui-Ming Cheng課題組2024年發(fā)表在Angewandte (鏈接: https://doi.org/10.1002/anie.202412853)上。原文：A Dynamically Ion-Sieved Electrolyte towards Ultralong-Lifespan Zn-Ion Batteries
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
