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生物親鋅啟發(fā)的電解液添加劑促進高性能水系鋅離子電池的構建
時間:2023-01-30 12:02來源:水系儲能 作者:ASEer
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研究背景
水系鋅離子電池因其擁有本征安全和成本低廉等優(yōu)點，在大規(guī)模能源存儲和智能電網等領域展現出良好的應用前景。然而，鋅負極在水系電解液中存在熱力學不穩(wěn)定，在Zn2+沉積和剝離過程中易產生枝晶和副反應，導致電池短路失效，從而阻礙了器件的實際應用。目前，引入具有親鋅性的電解液添加劑是提升鋅負極穩(wěn)定性的重要策略之一。但是，大多數的添加劑存在調節(jié)功能單一、成本高和環(huán)境友好性較差等缺點。因此，尋找具有多功能、價格低廉和綠色環(huán)保等優(yōu)點的親鋅性添加劑至關重要。類似于水系鋅離子電池，Zn2+在真核生物的細胞中也存扮演著不可或缺的角色，其中，由于氨基酸鏈和Zn2+之間存在良好的親和力，而配位形成的鋅指蛋白（ZFP）在基因的表達調控、細胞分化和胚胎發(fā)育等生命過程中發(fā)揮重要作用。受此啟發(fā)，重慶大學-新加坡國立大學聯(lián)合實驗室 (CQU-NUS joint lab) 李猛課題組在水系電解液中引入具有生物親鋅性的甘氨酸(Gly)添加劑來提升鋅負極的穩(wěn)定性。通過實驗表征和理論計算表明，Gly添加劑不僅可以重塑水系電解液中[Zn(H2O)6]2+的溶劑化殼結構，而且還能優(yōu)先吸附在鋅負極表面，從而抑制負極-電解液界面的副反應，促進 Zn2+的均勻沉積與剝離，在含Gly添加劑的電解液中，鋅負極呈現出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性，組裝成的全電池也展現出良好的應用前景。此工作將仿生設計理念與電解液調控有機的結合起來，為調控負極-電解液界面化學特性，設計高性能水系鋅離子電池提出了新的思路。
近期該研究以“Electrolyte Regulation of Bio-inspired Zincophilic Additive toward High-Performance Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發(fā)表在國際知名期刊Small，第一作者為課題組博士研究生茍倩志；此工作受到復旦大學晁棟梁教授課題組、重慶大學李俊教授課題組、重慶大學李凌杰教授課題組的大力支持和幫助。
圖1. 電解液添加劑的仿生啟發(fā)思路圖(原文引圖).
圖2. Gly添加劑對[Zn(H2O)6]2+溶劑化殼結構的影響機制(原文引圖).
圖3. Gly添加劑對Zn‖MnO2全電池電化學性能的影響(原文引圖).
研究結論
綜上所述，本工作受到生物細胞內鋅指蛋白中Zn2+與氨基酸鏈具備較強親和力的啟發(fā)，并綜合考慮經濟成本與環(huán)保因素，在水系電解液中引入良好親鋅性的甘氨酸(Gly)添加劑。實驗表征與理論計算結果表明，Gly添加劑可以部分替換[Zn(H2O)6]2+的配位水分子，改變其溶劑化殼結構，削弱電極-電解液界面的副反應。此外，Gly添加劑還能優(yōu)先吸附在鋅負極表面，抑制尖端效應，從而促進Zn2+的均勻沉積。基于上述工作機制，在含Gly添加劑的電解液中，組裝的鋅對電池和Zn‖MnO2全電池實現良好的電化學性能。因此，該工作將仿生設計理念與電解液調控有機的結合起來，為構筑高性能水系鋅離子電池提供新的研究思路。
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