朱智强课题组在水系锌硫电池电解液设计领域取得重要进展

时间:2022-09-08 13:36 点击:

近日,湖南大学朱智强教授课题组在水系锌硫电池电解液设计领域取得重要进展,在国际顶级期刊《Angewandte Chemie》在线发表题为“Boosting Cathode Activity and Anode Stability of Zn-S Batteries in Aqueous Media Through Cosolvent-Catalyst Synergy”的研究论文。

高性能储能技术的发展对解决当前能源和环境危机至关重要。水系锌离子电池因其资源丰富、环保、安全可靠等优点备受关注。然而,目前水系锌离子电池主要依赖于容量较低的嵌入型正极材料,能量密度普遍较低。基于转化反应机制的硫正极具有理论比容量高、成本低廉等优点,正好可以弥补水系锌离子电池能量密度不足的劣势。因此,水系锌硫电池被认为是一种很有前景的大规模储能技术。但在水相系统中硫阴极的固固转化反应动力学非常缓慢,且存在不可逆的界面副反应,锌阳极也存在严重的析氢副反应和枝晶生长等问题,严重阻碍了锌硫电池的实际应用。

朱智强教授课题组以三氟甲基磺酸锌为锌盐,四乙二醇二甲醚(G4)和水作为助溶剂,碘作为添加剂,基于助溶剂-催化剂协同效应发展了一种具有普适性的“鸡尾酒优化”电解液策略以针对性的解决水系锌硫电池所面临的问题。本文设计的“鸡尾酒优化”电解体系为2M Zn(OTF)2+ 0.15 wt% I2in 40% (vol) G4/water。其中G4作为共溶剂具有比水更高的亲硫性,不仅可以改善电解液对硫阴极的润湿性,提高界面电荷传输,还可以阻碍硫阴极与水的直接接触,抑制界面副反应。此外,G4-I2的协同作用可以激活高效的极性I3/I催化剂,促进硫的转化反应动力学。另一方面,具有氧化性I3聚阴离子在循环过程中会促进Zn(OTF)2盐的分解,并在锌阳极表面原位形成一层稳定的有机-无机杂化固体电解质界面膜,进而大幅提升锌阳极的循环稳定性。因此,设计的“鸡尾酒优化”电解液可以全面提升锌硫电池的电化学性能。同时,该电解液的设计策略也可以推广到其他醚/水混合电解质(如:乙二醇二甲醚/水,二乙二醇二甲醚/水),显示了“鸡尾酒优化”电解质设计策略的普遍性。该工作为推动水系锌硫电池电解液的基础研究的发展做出了重要贡献。

“鸡尾酒优化”电解液助溶剂-催化剂协同效应提升锌硫电池性能示意图。

湖南大学化学化工学院朱智强教授、颜子超助理教授,湘潭大学化学学院刘黎教授是该工作的共同通讯作者,湖南大学为第一通讯单位。博士研究生阳敏为文章第一作者。该工作的主要合作者还有湖南工业大学理学院肖金博士,澳洲卧龙岗大学王云晓高级研究员。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金和湖南省研究生科研创新项目的支持。

来源:化工院

通讯员:陈四海

责任编辑:蒋鼎邦

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