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港城大李振聲EnSM: 實現長壽命水系鋅離子電池穩定Zn沉積的電解液工程

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直接利用鋅金屬負極的水系鋅金屬電池(AZMBs)被認為是具有高安全性、高理論容量和化學穩定性的下一代商業電池的候選者。然而,水系電解液狹窄的電化學穩定性窗口、不受控制的枝晶和有限的可逆性仍然困擾著其實際應用。
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為此,香港城市大學李振聲教授、Hui Wang等人設計了一種安全、無毒、環保且價格低廉的水系Zn(OTf)2-H2O-PEG(聚乙二醇)電解液。該電解液體系有以下優點:
(i)如NMR、FTIR和拉曼結果所示,PEG網絡極大地限制了水分子的活性,從而減少了水分子的分解;
(ii) PEG分子將Zn離子的局部配位環境從H2O分子主導轉變為陰離子主導結構。
然后,在鋅負極上原位合成了(002)晶面優先取向的鋅表面和富含ZnF2的SEI,從而減少了副反應以實現優異的界面穩定性,這些通過原位光學可視化觀察(OVO)、異位SEM、XRD、XPS 和MD分析證實。
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圖1. 基于該電解液的Zn||Zn對稱電池的循環性能
因此,采用 Zn(OTf)2-(30wt%) H2O-70wt% PEG的電解液組合物,Zn||Zn對稱電池表現出創紀錄的超高循環穩定性(在1和2 mA cm-2的電流密度下可達到9000和8000小時)。
此外,Zn||70%PEG||V2O5全電池在0.5 A g-1的電流密度下表現出 345.7 mAh g-1的高比容量,并在15 A g-1的高電流密度下500次循環后表現出84.3% 的容量保持率。這些結果表明,這種可靠的電解液工程具有抑制水分解和誘導均勻金屬沉積的協同作用,有望大大提高下一代 AZMB的電化學性能。
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圖2. Zn||70%PEG||V2O5全電池的電化學性能
Electrolyte Engineering Enables Stable Zn-Ion Deposition for Long-Cycling Life Aqueous Zn-ion Batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.11.003

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