【研究背景】

鋅金屬負(fù)極具有較低的氧化還原電勢(相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極為-0.76 V)、較高的理論容量(820 mAh g^-1和5855 mAh cm^-3)、與水溶液相容性好、高安全性和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代儲能系統(tǒng)最有希望的候選儲能體系。但是，水系鋅金屬電池(AZMBs)在充放電過程中存在鋅枝晶生長和鋅負(fù)極與電解液間嚴(yán)重的副反應(yīng)等問題給商業(yè)化應(yīng)用帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。然而，目前大多數(shù)改性策略對改善鋅金屬負(fù)極的穩(wěn)定性和可逆性十分有限。為了獲得長循環(huán)穩(wěn)定性和高可逆性的AZMBs，應(yīng)同時(shí)考慮抑制鋅枝晶的生長和緩解副反應(yīng)的發(fā)生。通過電解質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鋅的均勻沉積/剝離和穩(wěn)定的電極/電解質(zhì)界面，是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的有效策略之一。

【成果簡介】

近日，廈門大學(xué)趙金保教授課題組首次通過離子交換和自由基聚合設(shè)計(jì)合成了一種新型聚陰離子鋅鹽水凝膠電解質(zhì)——聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)鋅(PAMPSZn)。PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)具有固定的聚陰離子鏈和受限制的Zn²⁺傳輸通道，可以在緩解鋅負(fù)極與電解液間副反應(yīng)的同時(shí)有效抑制鋅枝晶的生長，大大提升鋅負(fù)極的電化學(xué)性能。基于PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的Zn/Zn對稱電池，實(shí)現(xiàn)了在1.0 mA cm^-2的電流密度下超過4500小時(shí)的超穩(wěn)定Zn沉積/剝離，并且發(fā)現(xiàn)了在這種體系下的鋅反復(fù)沉積/剝離具有高擇優(yōu)取向的特點(diǎn)。此外，基于這種電解液的Zn/Cu半電池具有超高的首圈庫倫效率(87.5％)和平均庫侖效率(99.3％)。將其應(yīng)用到水系鋅金屬電池中，電池循環(huán)穩(wěn)定性和容量保持率得到了明顯的改善。本工作中設(shè)計(jì)的聚陰離子鋅鹽水凝膠電解質(zhì)為開發(fā)高性能水系鋅金屬電池電解質(zhì)提供了新的思路。該文章發(fā)表在國際頂級期刊Energy Storage Materials上。廈門大學(xué)碩士研究生叢建龍為本文第一作者。

【研究亮點(diǎn)】

1. 首次通過離子交換和自由基聚合設(shè)計(jì)并合成了一種具有固定聚陰離子鏈和受限Zn²⁺傳輸通道的聚陰離子鋅鹽水凝膠電解質(zhì)PAMPSZn。

2. 基于開發(fā)的PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了超過4500小時(shí)的穩(wěn)定Zn沉積/剝離和超高的首圈庫倫效率(87.5%)及平均庫侖效率(99.3％)。

3. 基于開發(fā)的PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)，鋅金屬沉積層表現(xiàn)出規(guī)則、均勻的納米線形貌，并具有沿著(002)晶面高擇優(yōu)取向沉積的特點(diǎn)。

【圖文導(dǎo)讀】?

圖1. PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的合成示意圖。

作者通過離子交換和自由基聚合設(shè)計(jì)并合成了具有固定聚陰離子鏈和受限Zn²⁺傳輸通道的聚陰離子鋅鹽水凝膠電解質(zhì)PAMPSZn(如圖1)。?

圖2. (a)PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的LSV曲線；(b)AMPSZn水溶液和PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的EIS曲線；(c)使用PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的Zn/Zn對稱電池在10 mV電壓下極化前后的EIS曲線和(d)相應(yīng)的I-t曲線；(e)ZnSO₄電解液和PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的Tafel曲線；(f)在各種電流密度下Zn/PAMPSZn/Zn電池的電壓曲線。

對PAMPSZn水凝膠的電化學(xué)測試表明，PAMPSZn在室溫下具有較高的電化學(xué)窗口(?2.4 V(vs. Zn/Zn²⁺))和離子電導(dǎo)率(1.56×10^-2?S cm^-1)，且與鋅金屬負(fù)極具有很好的相容性(如圖2)。?

圖3. (a)具有不同電解質(zhì)的Zn / Zn對稱電池的循環(huán)性能。插圖分別是第100圈和第2300圈的循環(huán)性能;；(b)使用不同電解液的Zn/Cu半電池的循環(huán)性能；(c)使用PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的Zn/Cu半電池電壓-容量曲線；(d)使用不同電解液的Zn/V₂O₅全電池的循環(huán)性能；(e)使用PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的Zn/V₂O₅全電池的電壓-比容量曲線；(f)使用PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的Zn/V₂O₅全電池的倍率性能；(g)使用PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的Zn/V₂O₅電池的3D模型；(h)與已報(bào)道文獻(xiàn)的Zn / Zn對稱電池循環(huán)性能的對比。

對使用PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)和ZnSO₄電解液的鋅對稱電池、半電池、全電池測試表明， Zn/PAMPSZn/Zn對稱電池表現(xiàn)出超穩(wěn)定的循環(huán)性能，可以在1.0 mA cm^-2和1.0 mAh cm^-2的條件下穩(wěn)定運(yùn)行超過4500小時(shí)而極化電壓不發(fā)生明顯的變化；Zn/PAMPSZn/Cu半電池具有超高的首圈庫倫效率(87.5%)，在400次充放電循環(huán)中平均庫侖效率可以保持在99.3％； Zn/PAMPSZn/V₂O₅全電池的首圈庫侖效率為97.9％，遠(yuǎn)高于Zn/ZnSO₄/V₂O₅(85.3％)。此外，Zn/PAMPSZn/V₂O₅全電池在0.5 A g^-1下400圈循環(huán)的容量保持率高達(dá)80.2％。以上結(jié)果表明，PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)在AZMBs應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景(如圖3)。

圖4. 鋅金屬負(fù)極表面形貌表征。

通過形狀測量激光顯微系統(tǒng)和掃描電鏡對循環(huán)后的鋅金屬負(fù)極形貌進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，使用PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的鋅金屬表面為平整均勻的納(微)米線形貌(如圖4)。?

圖5. (a)和(b)循環(huán)后鋅金屬負(fù)極GIXRD(掠入射X射線衍射)和XRD；(c)和(d)不同電解液條件下鋅沉積的機(jī)理示意圖。

GIXRD測試表明，在PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)中，鋅金屬沉積層具有沿著(002)晶面高擇優(yōu)取向沉積的特點(diǎn)；XRD測試表明，PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)有效地緩解了鋅負(fù)極/電解液界面間的副反應(yīng)(如圖5)。

【總結(jié)展望】

作者通過離子交換和自由基聚合設(shè)計(jì)合成了一種新型聚陰離子鋅鹽水凝膠電解質(zhì)——聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)鋅(PAMPSZn)。PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)具有固定的聚陰離子鏈和受限制的Zn²⁺傳輸通道，可以在緩解鋅負(fù)極與電解液間副反應(yīng)的同時(shí)有效抑制鋅枝晶的生長。基于PAMPSZn水凝膠電解質(zhì)的Zn/Zn對稱電池，實(shí)現(xiàn)了超過4500小時(shí)的超穩(wěn)定Zn沉積/剝離，并且發(fā)現(xiàn)了在這種體系下的鋅反復(fù)沉積/剝離具有沿著(002)晶面高擇優(yōu)取向沉積的特點(diǎn)。此外，基于這種電解液的Zn/Cu半電池具有超高的首圈庫倫效率(87.5％)和平均庫侖效率(99.3％)。將其應(yīng)用到水系鋅金屬電池中，電池循環(huán)穩(wěn)定性和容量保持率得到了明顯的改善。這項(xiàng)工作中設(shè)計(jì)的聚陰離子鋅鹽水凝膠電解質(zhì)為開發(fā)高性能水系鋅金屬電池電解質(zhì)和實(shí)現(xiàn)水系鋅金屬電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了新的思路。

Jianlong Cong, Xiu Shen, Zhipeng Wen, Xin Wang, Longqing Peng, Jing Zeng* and Jinbao Zhao*. Ultra-stable and highly reversible aqueous zinc metal anodes with high preferred orientation deposition achieved by a polyanionic hydrogel electrolyte, Energy Storage Materials, 2020.?DOI:10.1016/j.ensm.2020.11.041

作者簡介：

趙金保，廈門大學(xué)特聘教授，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任新能源汽車動(dòng)力電源技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué))主任、電化學(xué)技術(shù)教育部工程研究中心主任等職。長期從事電化學(xué)儲能及其關(guān)鍵材料的研究與開發(fā)，在鋰離子電池的基礎(chǔ)研究、體系設(shè)計(jì)和工程化等方面取得了系列性創(chuàng)新成果，申請發(fā)明專利150多項(xiàng)。近五年，在Energy & Environmental Science、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces等國際刊物上發(fā)表了130余篇論文。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的水系图一般在哪里找得到_厦大赵金保团队EnSM：新型聚阴离子锌盐水凝胶电解质实现具有高择优取向沉积的超稳定、高可逆水系锌金属负极...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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