陈小华教授课题组在锌离子电池锌负极稳定方面取得重要进展

时间:2021-08-31 16:18 点击:

近日,国际顶级期刊Advanced Materials上发表了我校材料科学与工程学院陈小华教授课题组研究论文“Stabilizing Zinc Anodes by Regulating the Electrical Double Layer with Saccharin Anions”。

Advanced Materials成果发表截图。

在“碳达标、碳中和”背景下,开发新型大规模储能系统对于新能源开发利用具有十分重要的意义。其中,水系锌离子电池凭借其低成本、高安全、高理论容量等特点被认为是一种极具潜力的大规模储能系统。然而,不稳定锌负极/电解液界面导致副反应的发生和枝晶的形成,从而影响电池的库伦效率和循环寿命,限制了其商业化应用。因此,解决锌金属负极稳定性差的问题成为了推动锌离子电池发展的迫切要求。

陈小华教授课题组提出通过调控双电层结构稳定锌金属负极的技术思想,从理论和实验上揭示了锌负极初始形成的双电层结构对锌负极界面SEI膜组分结构形成的影响。 引入糖精添加剂实现了糖精衍生阴离子在初始双电层结构中的特性吸附,阻止部分水分子与锌界面直接接触,降低/了双电层结构中水分子的比例,形成贫水双电层结构,抑制锌负极与电解液之间的副反应。同时,在锌沉积过程中,糖精衍生阴离子发生分解形成有机-无机混合固态电解质相,进而调控锌离子的扩散,抑制锌枝晶的形成。基于设计的电解液体系, 实现了锌对称电池分别在10 mA cm-2/10 mAh cm-2测试条件下,具有550小时超长的循环寿命,同时容量为达到10 mAh cm−2,相当于2.75 Ah cm−2的超高累积电镀容量,大约是使用裸ZnSO4电解液电池的14倍。即使在40 mA cm−2的高电流密度下测试,它仍然可以循环110小时以上。更重要的是,基于SAC/ZnSO4电解液中测试的Zn|Cu半电池库仑效率高达99.6%,表明镀Zn/剥离过程具有优异的可逆性。该成果有力推动了水性锌离子电池的商业化进程。

添加剂作用机理图。

基于改性电解液的锌负极电化学性能。

论文第一作者为博士研究生黄聪,陈小华教授为本文通讯作者,共同通讯作者刘智骁副教授为本文提供理论计算指导。硕士研究生赵欣、刘爽、郝逸苏,唐群力副教授、胡爱平教授也参与了相关工作。

上述研究得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金以及长沙市重大科技专项等基金项目的支持。

论文信息:

Huang, C.,Zhao, X.,Liu, S.,Hao, Y.-S.,Tang, Q.-L.,Hu, A.-P.,Liu, Z.-X.,Chen, X.-H.,Stabilizing Zinc Anodes by Regulating the Electrical Double Layer with Saccharin Anions.Adv. Mater.2021, 2100445.

https://doi.org/10.1002/adma.202100445

来源:材料院

责任编辑:文亦佳

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