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Nat. Mater. 锌电池复兴:快充潜力股

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Nat. Mater. 锌电池复兴:快充潜力股

第一单位:布鲁克海文国家实验室

通讯作者:Xiao-Qing Yang

 

1799年,锌金属被用于由亚历山德罗·沃尔塔发明的第一个电池-伏打堆。作为一种经典的阳极材料,多种类型锌电池(Zn-空气,Zn-MnO2,Zn-NiOOH和Zn-Ag2O)已经成功商业化,他们大部分直到今天仍在使用。但是开发可充电锌基电池的进展缓慢,因为Zn在水系电解质中的可逆性很差。水性锌电池的高容量(820mAh/g)和高安全性使它重新受到人们的关注。但在循环过程中锌枝晶的生长所导致库伦效率降低的问题亟待解决。

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图1. Zn阳极的循环前后的SEM和XRD图

 

布鲁克海文国家实验室Xiao-Qing Yang等人[1]撰文评述了王春生/许康教授联合发表在Nature Materials上的有关锌阳极文章[2]。后者使用一种双盐水系电解液可以从根本上解决了锌阳极水化学反应不可逆的问题。他们设计了一种由锂盐LiTFSI(其中TFSI是双(三氟甲烷)磺酰胺和锌盐(Zn(TFSI)2)组成的浓缩水系电解质,通过调节锂盐与锌盐的浓度可以在锌和水之间生成一种电化学惰性材料,从而阻止了锌枝晶的生长,使其库伦效率稳定在100%左右。

 

浓缩的电解质电化学稳定性也提供了更宽的电压窗口。构建的Zn-LiMn2O4混合型全电池500个循环后的容量保持率为83.8%。该库仑效率接近100%,表现出高度可逆。一种使用多孔碳基质作为阴极材料的锌-氧电池在高能量密度300Wh/kg下可以超过200次循环,而且这是在阳极没有催化剂的情况下实现的,更是前所未见。如果进一步优化阴极材料,相比其性能还将会进一步提升。


表1 单价离子和多价离子的电化学信息

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作为锌系电池家族的一员,可充电的锌离子电池被寄予厚望。至于为什么说锌离子电池能够满足快充,主要是因为大多数多价离子嵌入正极材料的晶体结构中需要的结合能更低且离子迁移速度也非常快。在表1 中, D 代表离子扩散系数,E代表嵌入离子嵌入材料晶体结构中所需要的最低结合能[3]。从表1 中可以看出多价离子的扩散系数一般比单价离子大,说明多价离子的电荷迁移速率通常比一价离子快。与一价离子相比,大多数多价离子嵌入正极材料的晶体结构中需要的结合能更低,因此能够进行快速充电。


锌电池能否再起波澜,让我们拭目以待!


参考文献:

[1] Enyuan Hu, Xiao-Qing Yang, Rejuvenating zinc batteries, Nature Materials 17, 480-481 (2018)

[2] Fei Wang, Oleg Borodin, Tao Gao, Xiulin Fan, Wei Sun, Fudong Han, Antonio Faraone, Joseph A Dura, Kang Xu, Chunsheng Wang, Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries, Nature Materials 17, 543-549 (2018)

[3] 陈丽能, 晏梦雨, 梅志文, 麦立强, Journal of Inorganic Materials, DOI: 10.15541/jim20160192

 

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