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南開陶占良教授NML：低溫水系鋅離子電池陰陽離子的協(xié)同效應(yīng)

盡管水系鋅離子電池（AZIBs）由于其諸多優(yōu)點(diǎn)而獲得了很大的發(fā)展，但水系電解液在低溫下易凍結(jié)阻礙了其在低溫條件下的實(shí)際應(yīng)用。

在此，南開大學(xué)陶占良教授等人通過多視角表征證明了陽離子和陰離子破壞原始水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用。然后，提出了一種3.5 M Mg(ClO₄)₂ + 1 M Zn(ClO₄)₂的水鹽水合物深共熔溶劑，通過引入氧配體Mg²⁺和氫配體ClO₄^–顯著降低了水分子中氫鍵的比例，導(dǎo)致其凝固點(diǎn)低至-121 °C。

由于不含有機(jī)添加劑，這種新型水合鹽在-70 °C下具有1.41 mS cm^-1的高離子電導(dǎo)率和22.9 mPa s的低粘度，這意味著該電解液的快速離子傳輸行為。

圖2. 陽離子和陰離子對冰點(diǎn)降低的協(xié)同作用

基于3.5 M電解液的顯著抗凍特性，開發(fā)了有機(jī)小分子芘-4,5,9,10-四酮（PTO）和吩嗪（PNZ）來制造低溫AZIBs。憑借低溫電解液的優(yōu)勢，制備的Zn||PTO和Zn||PNZ電池表現(xiàn)出令人滿意的低溫性能。

例如，在-70 °C的低溫下，Zn||PTO電池在0.5 C (200 mA g^-1) 時(shí)顯示出101.5 mAh g^-1高放電容量，即使在3 C (1.2 A g^-1) 的高倍率下，電池容量仍高達(dá)71 mAh g^-1。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)防凍水系電解液提供了獨(dú)特的視角，促進(jìn)了低溫AZIBs的發(fā)展。

圖2. 水系鋅離子電池的低溫電化學(xué)性能

Synergistic Effect of Cation and Anion for Low-Temperature Aqueous Zinc-Ion Battery, Nano-Micro Letters 2021. DOI: 10.1007/s40820-021-00733-0

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