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生物親鋅啟發(fā)的電解液添加劑促進(jìn)高性能水系鋅離子電池的構(gòu)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(wǎng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。然而，鋅負(fù)極在水系電解液中存在熱力學(xué)不穩(wěn)定，在Zn2+沉積和剝離過程中易產(chǎn)生枝晶和副反應(yīng)，導(dǎo)致電池短路失效，從而阻礙了器件的實際應(yīng)用。目前，引入具有親鋅性的電解液添加劑是提升鋅負(fù)極穩(wěn)定性的重要策略之一。但是，大多數(shù)的添加劑存在調(diào)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(guān)重要。類似于水系鋅離子電池，Zn2+在真核生物的細(xì)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(dá)調(diào)控、細(xì)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(xué)-新加坡國立大學(xué)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(fù)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(jié)構(gòu)，而且還能優(yōu)先吸附在鋅負(fù)極表面，從而抑制負(fù)極-電解液界面的副反應(yīng)，促進(jìn) Zn2+的均勻沉積與剝離，在含Gly添加劑的電解液中，鋅負(fù)極呈現(xiàn)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(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。此工作將仿生設(shè)計理念與電解液調(diào)控有機(jī)的結(jié)合起來，為調(diào)控負(fù)極-電解液界面化學(xué)特性，設(shè)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(fù)旦大學(xué)晁棟梁教授課題組、重慶大學(xué)李俊教授課題組、重慶大學(xué)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(jié)構(gòu)的影響機(jī)制(原文引圖).
圖3. Gly添加劑對Zn‖MnO2全電池電化學(xué)性能的影響(原文引圖).
研究結(jié)論
綜上所述，本工作受到生物細(xì)胞內(nèi)鋅指蛋白中Zn2+與氨基酸鏈具備較強(qiáng)親和力的啟發(fā)，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)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(jié)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(jié)構(gòu)，削弱電極-電解液界面的副反應(yīng)。此外，Gly添加劑還能優(yōu)先吸附在鋅負(fù)極表面，抑制尖端效應(yīng)，從而促進(jìn)Zn2+的均勻沉積�；谏鲜龉ぷ鳈C(jī)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(xiàn)良好的電化學(xué)性能。因此，該工作將仿生設(shè)計理念與電解液調(diào)控有機(jī)的結(jié)合起來，為構(gòu)筑高性能水系鋅離子電池提供新的研究思路。
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