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Angew. Chem. :有機-水混合電解液中痕量碘離子助力高鋅金屬負極利用率2023-10-19
水性鋅金屬電池由于其高安全性、低成本和豐富的資源,是間歇可再生能源大規模儲能的一種非常有吸引力的選擇。但是在水系電解液中,鋅金屬負極有著枝晶生長問題以及高活性水帶來的腐蝕、析氫和表面鈍化問題,這極大地降低了鋅負極的實際利用率。使用有機共溶劑是解決高活性水問題的有效策略,但是又會明顯地阻礙鋅離子沉積/溶出的動力學過程。

近日,復旦大學的王永剛教授課題組通過在水系電解液中加入乙二醇二甲醚(DME)共溶劑和痕量碘離子,同時解決了高水活性的問題以及由有機共溶劑的加入而導致的緩慢鋅離子沉積/溶出的動力學問題。此種策略極大地提高了鋅金屬負極的穩定性,使其在對稱電池和全電池中分別擁有高達75%和27%的利用率。

 

 

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通過在水系電解液中加入DME共溶劑,水分子的活性顯著降低。紅外光譜與核磁等表征說明,DME分子參與到鋅離子溶劑化結構中并破壞了水分子的原始氫鍵網絡。電化學表征也證明,電解液在鋅負極界面處的析氫與腐蝕特性得到了明顯的抑制,鋅金屬在電解液中的穩定性得到提升。但是,DME的加入也明顯減緩了鋅沉積/溶出的動力學過程。

因此,在上述基礎上,電解液加入了痕量的碘離子。通過循環伏安(CV),交流伏安(ACV)以及Ztea電位測試,證明了碘離子在鋅負極表面能夠形成特定的吸附層,并明顯增大鋅負極表面的雙電層電容值。進一步測試電池在不同溫度下的阻抗,證明在負極表面特定吸附的碘離子可以顯著降低鋅離子的脫溶劑化能。交換電流密度測試則表明加入的碘離子最終達到了加快鋅離子沉積/溶出動力學過程的目的。掃描電子顯微鏡(SEM)表征則證明了,特定吸附的碘離子可以促進鋅離子均勻成核并沿著平面沉積,有效抑制枝晶的生長。

于是,使用同時加入DME和碘離子的電解液裝配的Zn//Zn對稱電池可以達到10500 h 的循環壽命,這也是目前報道的最長的鋅對稱電池的循環時間。此外,在75%的高鋅利用率下,對稱電池仍然可以循環超過300 h。使用自支撐的二硫化釩正極(VS2@SS)搭配此電解液,可以實現在27%的鋅利用率下循環170圈。即使正極活性物質載量達到16mg cm-2,電池也能穩定循環1600圈。

最終,該研究策略為提高水系鋅金屬電池的負極穩定性和利用率方面提出了有效的解決方案,并助力于未來高性能水系鋅金屬電池的發展。

文信息

Boosting Zn Anode Utilization by Trace Iodine Ions in Organic-Water Hybrid Electrolytes through Formation of Anion-rich Adsorbing Layers

Kang Zhou,?Zhi Li,?Xuan Qiu,?Zhuo Yu,?Prof. Yonggang Wang

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202309594

 

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