香港城市大学AM：不产氢，无枝晶全固态锌离子电池

锌离子电池由于金属锌较高的理论容量（820 mA h/g）、较低的氧化还原电势（-0.76 V vs. SHE）、丰富的储量以及安全环保等优势被认为最具有规模储能的应用前景。但是锌离子电池在实际应用方便仍面临着巨大挑战。目前，锌离子电池几乎都是用水系电解质。虽然水系电解质成本低，但是使用水系电解质，金属锌负极在循环过程中极易产生枝晶并且伴随的水分解产氢反应对电解液的持续消耗，降低了锌电池的循环性能。其次，目前的固态锌离子电池基本使用水凝胶电解质，其是一种半固态电池。同时，水凝胶电解质容易失水且机械性能差，这也极大地限制了锌电池的应用。因此，急需找到高效低成本的电解质来满足实际应用的需求。

香港城市大学支春义教授等人在Advanced Materials上发表了题为“Hydrogen-Free and Dendrite-Free All-Solid-State Zn-Ion Batteries”的研究工作。第一作者为博士研究生马龙涛。作者基于锌盐(Zn(BF₄)₂)以及离子液体([EMIM]BF₄)制备了离子液锌盐电解质，并实现高度可逆的不产氢和无枝晶的金属锌沉积溶解反应。进一步制备了PVDF-HFP/PEO全固态聚合物电解质，其具有较高的离子导电率(16.9 mS/cm)，优良的柔性以及机械性能。使用离子液锌盐电解质和PVDF-HFP/PEO全固态聚合物电解质的Zn/CoHCF电池具有优异的循环稳定性和倍率性能。全固态Zn/CoHCF电池可以在最低-20 ^oC以及最高70 ^oC下工作，具有非常强的环境适应能力。这项工作表明，离子液体电解质可以有效抑制金属锌负极产氢以及枝晶生长，赋予Zn基电池优异的循环性能。

1. 基于锌盐(Zn(BF₄)₂)以及离子液体([EMIM]BF₄)制备了离子液锌盐电解质;

2. 离子液电解质可有效抑制枝晶生长以及水分解产氢等副产物的产生，赋予锌基电池超长循环性能；

3. 制备了PVDF-HFP/PEO 全固态聚合物电解质且其具有较高的离子导电率，优良的柔性和机械性能；

4. 全固态锌离子电池具有非常好的柔性，环境适应性以及电化学性能。

图1. (a) ZnSO₄, Zn(BF₄)₂ 水系电解液以及离子液体电解液电压窗口测试；(b-e) 在不通电解液中，金属Zn电极沉积溶解过程中产氢表征；(f) 金属锌电极在不通电解液中的腐蚀表征；金属锌电极在(g) ZnSO₄, (h) Zn(BF₄)₂ 水系电解液以及(i) 离子液体电解液中沉积溶解过程中的形貌变化; 金属锌电极在(j)水系电解液以及(k)离子液体电解液中,锌沉积生长说明。

图2. (a) Zn/Zn 对称电池在离子液体电解液中，2mA/cm² 恒电流密度下沉积溶解性能；(b)金属Zn电极沉积溶解过1500 h 后结构和形貌表征；(c) 三电极测试装置下，金属锌电极沉积溶解的CV曲线；Zn/SS 电池的 (d) 稳定性测试，(e) 相应的充放电曲线以及 (f)倍率性能; (g)在离子液体电解液中，锌离子的溶剂化结构; (h) 不通电解液在空气中的稳定性测试; (i-j)电解液的安全性测试。

图3. (a) Zn/CoHCF 电池结构展示；(b) Zn/CoHCF电池在不通扫描速率下的CV曲线以及(c)其线性拟合；Zn/CoHCF电池 (e)在不通电流密度下的充放电曲线，(f)倍率性能以及(d) 稳定性测试；(g)锌离子电池循环性能对比; (h)大容量软包电池循环性能；(i)充放电前后，软包电池的体积膨胀性能测试; (j) Zn/CoHCF自放电性能测试。

图4. PVDF-HFP/PEO固态电解质的 (a)结构展示，(b-c)柔性展示以及(c)厚度表征；PVDF/PEO聚合物电解质与水凝胶电解质的(e)面密度以及 (f)机械性能对比；(g) PVDF/PEO聚合物电解质的离子导电性能表征；(h) Zn/Zn对称电池稳定性测试；(i) Zn恒流充放电1000小时后的形貌表征；Zn/SS 电池的 (i)稳定性测试以及 (j)相应的充放电曲线。

图5. 全固态锌电池 (a)在不通电流密度下的充放电曲线，(b)倍率性能以及(c)循环性能；(d)电池弯曲过程中结构以及受力说明；(e)全固态锌电池在不通弯曲条件下的电化学性能表征；(f)全固态锌电池的可裁剪性能表征；(g-i)全固态锌电池的环境适应性表征。

Hydrogen-Free and Dendrite-Free All-Solid-State Zn-Ion Batteries. (Advanced Materials, 2020, 1908121. DOI: 10.1002/adma.201908121)

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201908121?campaign=wolearlyview

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