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最新電池頂刊:黃學(xué)杰、楊勇、黃佳琦、吳凡、鄭春滿、陳立寶、盧錫洪等成果集錦!

1. 物理所吳凡AEM:循環(huán)600次,長(zhǎng)壽命硫化物全固態(tài)電池
最新電池頂刊:黃學(xué)杰、楊勇、黃佳琦、吳凡、鄭春滿、陳立寶、盧錫洪等成果集錦!
硫化物全固態(tài)電池(ASSBs)由于其更好的安全性能和潛在的高能量密度,已被廣泛認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能裝置。在硫化物ASSBs的各種制備方法中,無溶劑干膜工藝具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),包括低成本、抑制薄膜分層、厚電極以及與硫化物固態(tài)電解質(zhì)(SE)的高兼容性。然而,目前在干膜工藝中占主導(dǎo)地位的粘結(jié)劑聚四氟乙烯存在電壓穩(wěn)定性差和粘度低的問題,這導(dǎo)致硫化物ASSBs的低庫倫效率和差循環(huán)穩(wěn)定性。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所吳凡等提出了一種新的處理工藝(基材調(diào)制法),以開發(fā)一種具有更好電化學(xué)和機(jī)械性能的新型干式粘結(jié)劑-丁苯橡膠(SBR),其有望在硫化物ASSB中得到應(yīng)用。
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圖1 特殊設(shè)計(jì)的SBR粘結(jié)劑的處理過程和表征
原有的SBR粘結(jié)劑(SBR-O)的分散性能和機(jī)械延展性較差,無法用于電極膜的制作。為提高其可分散性,這項(xiàng)工作提出了一種基質(zhì)調(diào)制方法,通過將SBR-O溶解到對(duì)二甲苯溶液中,然后沉淀在不同數(shù)量的NaCl基質(zhì)上來調(diào)節(jié)SBR-O。在這種方法中,對(duì)二甲苯溶液被NaCl吸附,粘結(jié)劑在基質(zhì)表面分離出來。沉淀的粘結(jié)劑的尺寸、微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)由NaCl的數(shù)量控制。然后,在隨后的加工過程中,沉淀的粘結(jié)劑重新聚結(jié),形成本體粘結(jié)劑。在團(tuán)聚過程中,粘結(jié)劑內(nèi)部形成了松散的多孔結(jié)構(gòu),在外力作用下更容易變形,因?yàn)樗鼈兊挠捕群蜅钍夏A慷枷鄳?yīng)地降低。
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圖2 ASSB的制備及性能
特別設(shè)計(jì)的處理過程可以減少粘結(jié)劑的團(tuán)聚,有利于鋰離子的傳輸,并提高電極/電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)性。因此,采用這種新型粘結(jié)劑制備的SE膜呈現(xiàn)出超高的離子傳導(dǎo)性(2.34 mS cm-1)。此外,這種加工后的粘結(jié)劑具有很強(qiáng)的粘性,改善了活性材料和SE顆粒之間的粘附性,這使得采用這種粘結(jié)劑的相應(yīng)ASSB具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性(600次循環(huán)后具有84.1%的容量保持)。
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圖3 采用不同SBR粘結(jié)劑的ASSB的在30 °C下的循環(huán)性能
Long-Life Sulfide All-Solid-State Battery Enabled by Substrate-Modulated Dry-Process Binder. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201732
2. 國(guó)防科大AFM:高性能鋰硫電池,循環(huán)900次,比能量372 Wh/kg!
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盡管鋰-硫(Li-S)電池的理論能量密度很高,但卻受到實(shí)際挑戰(zhàn)的阻礙,包括遲緩的轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)和多硫化物的穿梭效應(yīng)。
查爾姆斯理工大學(xué)Shizhao Xiong、國(guó)防科技大學(xué)鄭春滿、孫巍巍等報(bào)道了一種錨定有單分散亞10納米FeS2納米團(tuán)簇的氮摻雜連續(xù)多孔碳(CPC)宿主(CPC@FeS2)作為硫正極的高效催化性基體。
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圖1 正極宿主的合成和電催化過程的示意圖
研究顯示,CPC@FeS2宿主的協(xié)同工程為硫的高負(fù)載量和硫物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的巨大體積變化提供了較大的內(nèi)部空間。此外,該宿主為多硫化物的吸附和固體中間產(chǎn)物如Li2S2的轉(zhuǎn)化提供了豐富的催化活性點(diǎn)。因此,Li2S2到Li2S的固-固轉(zhuǎn)化的遲緩動(dòng)力學(xué)得到了明顯的促進(jìn),有助于抑制穿梭效應(yīng)和活性物質(zhì)的高利用率。
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圖2 多硫化物與CPC@FeS2宿主之間的相互作用
因此,優(yōu)化的硫正極(S/CPC@FeS2)具有高比容量、提高的倍率性能和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性,900次循環(huán)中的每循環(huán)容量衰減率為0.043%。在8.5 mAh cm-2的高面容量、8.4 mg cm-2的高硫負(fù)載和超低的E/S比(3.5 μL mg-1)條件下,采用這種正極的Li-S軟包電池具有338 Wh kg-1的競(jìng)爭(zhēng)能量密度。此外,硫負(fù)載量和E/S比的優(yōu)化可以將Li-S軟包電池的能量密度提升至創(chuàng)紀(jì)錄的372 Wh kg-1。因此,該研究結(jié)果揭示了具有高效電催化劑和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)碳主體的設(shè)計(jì),以用于高性能硫正極以及實(shí)用的鋰硫電池。
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圖3 扣式Li-S電池的電化學(xué)性能
Monodispersed FeS2 Electrocatalyst Anchored to Nitrogen-Doped Carbon Host for Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202205471
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3. 陳立寶/陳月皎AFM:超穩(wěn)定鋅負(fù)極,全電池循環(huán)達(dá)2500次!
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為解決不可控的鋅枝晶和嚴(yán)重的副反應(yīng)而構(gòu)建人工界面層是一個(gè)非常理想的策略,但它往往受到有限的Zn2+傳輸?shù)淖璧K。
中南大學(xué)陳立寶、陳月皎等通過對(duì)聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜進(jìn)行碳化處理,在銅集流體上設(shè)計(jì)了一種具有離子傳導(dǎo)性和電子絕緣性的氟摻雜無定形碳界面層,以用于均勻Zn沉積。
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圖1 材料制備及表征
這樣的CF層在沉積的鋅和電解液之間起到了保護(hù)性人工界面的作用,有效地抑制了枝晶的形成和副反應(yīng),從而保證了高界面穩(wěn)定性。它可以總結(jié)為以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):1)均勻的F原子作為親鋅位點(diǎn),可調(diào)節(jié)Zn2+通量的均勻分布,并吸引離子遷移;2)高離子傳導(dǎo)性和電絕緣性保證了CF層下預(yù)沉積的金屬鋅,有效抑制了副反應(yīng)和樹枝狀結(jié)晶的形成;3)由Zn2+和F位點(diǎn)形成的部分ZnF2作為人工固體Zn2+導(dǎo)體,進(jìn)一步引導(dǎo)均勻的Zn沉積;4)CF層調(diào)節(jié)Zn成核,使Zn(002)面優(yōu)先生長(zhǎng),形成平面生長(zhǎng),從而減少Zn與電解液的接觸面積。
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圖2 半電池性能
因此,基于Zn||CF-Cu的半電池顯示出非凡的循環(huán)穩(wěn)定性,在電流密度為2 mA cm-2和容量為1 mAh cm-2的情況下,可循環(huán)1900次,CE值高達(dá)99%。而且基于CF-Cu@Zn的對(duì)稱電池以更低的電壓極化實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)2200小時(shí)的循環(huán),這幾乎是Cu@Zn的6倍。此外,與V2O5正極匹配的全電池在電流密度為1 A g-1時(shí)表現(xiàn)出≈370 mAh g-1的可逆容量,并且在1200次循環(huán)后容量保持率為89%,CE高達(dá)≈100%。即使在3 A g-1的高電流密度下,基于CF-Cu@Zn的全電池也顯示出2500次循環(huán)的優(yōu)異穩(wěn)定性??傊@項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)穩(wěn)定的無枝晶金屬電池的人工界面層提供了靈感。
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圖3 全電池性能
A Multifunctional Artificial Interphase with Fluorine-Doped Amorphous Carbon layer for Ultra-Stable Zn Anode. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202205600
4. 黃佳琦/張學(xué)強(qiáng)AFM:無損檢測(cè)揭示復(fù)合鋰金屬負(fù)極中非活性鋰的積累機(jī)制!
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非活性鋰(Li)的快速形成和積累是導(dǎo)致高能量密度鋰金屬電池壽命有限的主要原因。構(gòu)建帶有宿主的復(fù)合鋰金屬負(fù)極是緩解和容納非活性鋰的一個(gè)很有前景的策略。然而,非活性鋰在復(fù)合鋰金屬負(fù)極中的積累機(jī)制仍然未知,嚴(yán)重困擾著復(fù)合金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性。
北京理工大學(xué)黃佳琦、張學(xué)強(qiáng)等通過無損三維X射線顯微鏡,全面揭示了復(fù)合鋰金屬負(fù)極中非活性鋰的兩階段積累機(jī)制及其與復(fù)合鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定性的相關(guān)性。
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圖1 電池方案和對(duì)稱電池的循環(huán)性能
研究發(fā)現(xiàn),復(fù)合鋰金屬負(fù)極中的非活性鋰的空間積累經(jīng)歷了兩個(gè)階段的變化。在第一階段,非活性鋰主要積累在宿主的內(nèi)部,導(dǎo)致極化的緩慢增加。在第二階段,非活性鋰從內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)中溢出,并迅速積聚在宿主的外部,導(dǎo)致極化的顯著增加和復(fù)合鋰金屬負(fù)極的穩(wěn)定性惡化。
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圖2 在不同的循環(huán)數(shù)下,CF/Li|CF/Li電池的三維形態(tài)和復(fù)合CF/Li負(fù)極的內(nèi)部形態(tài)
為了進(jìn)一步提高復(fù)合鋰金屬負(fù)極的穩(wěn)定性,操縱非活性鋰在復(fù)合金屬鋰負(fù)極內(nèi)部的積累是至關(guān)重要的。電流密度和外部壓力被證實(shí)是調(diào)控這兩個(gè)階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)的關(guān)鍵因素。因此,這項(xiàng)工作為復(fù)合負(fù)極中非活性鋰的空間積累機(jī)制提供了新的見解,并為軟包電池中復(fù)合鋰金屬負(fù)極的設(shè)計(jì)提供了合理的指導(dǎo)。
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圖3 復(fù)合CF/Li負(fù)極在不同循環(huán)下鋰沉積后的形態(tài)
Regulating the Two-Stage Accumulation Mechanism of Inactive Lithium for Practical Composite Lithium Metal Anodes. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202206834
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5. 宋樹豐/胡寧/楊勇AM:具有超高離子電導(dǎo)率的耐高壓(5.5 V)混合電解質(zhì)!
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高室溫離子電導(dǎo)率、大的Li+-離子遷移數(shù)以及與鋰金屬負(fù)極和高壓正極的良好兼容性是實(shí)用固態(tài)鋰金屬電池的基本要求。
重慶大學(xué)宋樹豐、河北工業(yè)大學(xué)胡寧、廈門大學(xué)楊勇等報(bào)告了一種獨(dú)特的”陶瓷包超濃縮離子凝膠”(SIC)電解質(zhì),該電解質(zhì)由原位熱引發(fā)自由基聚合法制備。
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圖1 SIC電解質(zhì)的制備
具體而言,這項(xiàng)工作通過將石榴石(LLZO)顆粒與超濃縮離子凝膠(3 M LiTFSI-EmimFSI-PMMA)結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)了高電壓?jiǎn)坞x子導(dǎo)電的”陶瓷包超濃縮離子凝膠”新型混合電解質(zhì)。XPS、FTIR、拉曼和固態(tài)靜態(tài)7Li NMR表征證實(shí),陶瓷/超濃縮離子凝膠界面的強(qiáng)烈化學(xué)作用導(dǎo)致了一種綜合結(jié)構(gòu),它不僅產(chǎn)生了快速的Li+傳輸(25℃時(shí)為1.33×10-3 S cm-1),還產(chǎn)生了令人印象深刻的Li+-離子遷移數(shù)(0.89)。同時(shí)具有3.14×10-10 S cm-1的低電子電導(dǎo)率和5.5 V vs. Li/Li+的寬電化學(xué)穩(wěn)定性窗口。
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圖2 SIC電解質(zhì)的電化學(xué)性能
結(jié)果,基于”陶瓷包超濃縮離子凝膠”電解質(zhì)的鋰/鋰對(duì)稱電池在鋰剝離/沉積過程中顯示出良好的可逆性。并且,采用這種SIC電解質(zhì)原位構(gòu)建的準(zhǔn)固態(tài)Li||NCM523和Li||LiFePO4電池表現(xiàn)出高倍率和長(zhǎng)循環(huán)壽命。因此,這項(xiàng)工作表明,”陶瓷包超濃縮離子凝膠”電解質(zhì)為安全和高能量的鋰金屬電池提供了一條有希望的道路。
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圖3 準(zhǔn)固態(tài)Li||NCM523和Li||LiFePO4電池的性能
Enabling High–Voltage “Superconcentrated Ionogel–in–Ceramic” Hybrid Electrolyte with Ultrahigh Ionic Conductivity and Single Li+–ion Transference Number. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202205560
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6. 黃學(xué)杰/張恒JACS:創(chuàng)新!采用元素硫來構(gòu)建高能負(fù)極的堅(jiān)固SEI!
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采用高能負(fù)極材料(如硅基和硅衍生物材料)制備的可充鋰基電池被認(rèn)為是滿足新興市場(chǎng)嚴(yán)格要求的可行方案,包括電動(dòng)汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ),因?yàn)榕c當(dāng)代鋰離子電池相比,其能量密度更高。高能負(fù)極上的固體電解質(zhì)界面層(SEI)的堅(jiān)固性對(duì)于實(shí)現(xiàn)電池的長(zhǎng)期和穩(wěn)定循環(huán)至關(guān)重要。
中科院物理所黃學(xué)杰、華中科技大學(xué)張恒等提出了一種新型的設(shè)計(jì)正極添加劑(DCA),即正極上的超薄元素硫涂層,以用于在各種類型的高能負(fù)極上原位形成薄而堅(jiān)固的SEI層。
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圖1 用于高能負(fù)極的DCA的示意
這一策略主要是基于以下考慮而構(gòu)思的:(1)通過還原反應(yīng),元素硫可原位轉(zhuǎn)化為多硫化物,這可能引發(fā)環(huán)狀碳酸酯的開環(huán)聚合(例如,碳酸乙烯酯(EC))并在高能負(fù)極表面構(gòu)建彈性SEI層;(2)通過氧化反應(yīng),元素硫可作為形成烷基硫酸鹽(R-OSO2OLi)的前體,這有助于機(jī)械穩(wěn)定負(fù)極-電解質(zhì)界面并促進(jìn)Li+陽離子的快速傳輸;(3)與含硫電解液添加劑(如 ES、PS 和 DTD)相比,元素硫易于以低成本獲得,這確保了它們?cè)诠I(yè)水平上的實(shí)際應(yīng)用。因此,通過在正極中引入少量的元素硫,元素硫在與碳酸乙烯酯(EC)的反應(yīng)下,經(jīng)歷了還原和氧化的途徑,生成了類似聚環(huán)氧乙烷(PEO)的聚合物和烷基硫酸鋰(R-OSO2OLi)。結(jié)果,在負(fù)極-電解質(zhì)界面新產(chǎn)生的物種可以有效地緩解充電過程中的體積膨脹,并形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),快速傳輸Li+陽離子,這對(duì)硅基材料(如SiC450和SiC900)和硅衍生物負(fù)極材料(如理論容量為1608 mAh g-1的Si-Sn合金)都很有效。
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圖2 SiC||DCA-LFP電池中DCA的化學(xué)性質(zhì)
受益于上述優(yōu)勢(shì),僅用0.5wt%的DCS元素硫,SiC450||DCA-LFP、SiC900||DCA-LFP和Si-Sn合金||DCA-LFP電池在100次循環(huán)后,容量都分別增加了14.1、22.9和35.2%,倍率容量在5C下分別增加了19.1、24.4和14.6%??偟膩碚f,作者證明了DCA元素硫在容量保持、倍率性能、普遍適用性、成本降低和低電阻等五個(gè)方面具有綜合優(yōu)勢(shì)。更具突破性的是,這種利用DCA馴服SEI的新方法為未來高能鋰基充電電池的界面設(shè)計(jì)提供了新的機(jī)會(huì)。
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圖3 采用DCA的電池的電化學(xué)性能
Designer Cathode Additive for Stable Interphases on High-Energy Anodes. Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c04124
7. 現(xiàn)代汽車/首爾大學(xué)AM:50 mg/cm2高負(fù)載室溫?zé)o負(fù)極全固態(tài)電池!
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采用無負(fù)極電極的全固態(tài)電池(ASSBs)已經(jīng)引起了整個(gè)電池界的關(guān)注,因?yàn)樗鼈兲峁┝司哂懈?jìng)爭(zhēng)力的能量密度和顯著改善的循環(huán)壽命。然而,無負(fù)極電極的復(fù)合基體對(duì)鋰離子的擴(kuò)散造成了很大的障礙,并抑制了室溫下的運(yùn)行。
現(xiàn)代汽車公司高級(jí)電池開發(fā)團(tuán)隊(duì)Sangheon Lee、首爾大學(xué)Jang Wook Choi等利用金屬氟化物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)(在該反應(yīng)中形成的金屬納米域會(huì)誘發(fā)與鋰離子的合金化反應(yīng)),以實(shí)現(xiàn)均勻和可持續(xù)的鋰(脫)鍍。
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圖1 鍍鋰過程中各種金屬氟化物的轉(zhuǎn)化
研究顯示,金屬氟化物(MFx)與鋰的轉(zhuǎn)化反應(yīng)先產(chǎn)生氟化鋰 (LiF),然后金屬M(fèi)按此順序繼續(xù)形成鋰金屬合金(Li-M)。因此,無負(fù)極的復(fù)合層受到LiF的保護(hù),而合金反應(yīng)會(huì)促進(jìn)均勻的Li沉積,其中金屬作為成核的種子。在此,作者評(píng)估了各種金屬氟化物,發(fā)現(xiàn)鋰沉積的動(dòng)力學(xué)和行為在很大程度上受到Li-M反應(yīng)機(jī)制的影響,考慮到施加較低成核障礙的固溶反應(yīng)對(duì)于方便和均勻的鋰沉積來說更為理想,氟化銀(AgF)與其他金屬氟化物相比具有優(yōu)勢(shì)。此外,轉(zhuǎn)換反應(yīng)產(chǎn)生的LiF減輕了鋰枝晶的肆意生長(zhǎng)以及金屬Ag納米域的聚集,促進(jìn)了循環(huán)過程中均勻和可持續(xù)的鋰(脫)鍍。
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圖2 在MFx基電極上鍍鋰的示意圖
受益于上述優(yōu)勢(shì),基于AgF的全電池在25°C下實(shí)現(xiàn)了可靠的循環(huán),即使是9.7 mAh cm-2的超高面積容量(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的面負(fù)載=50 mg cm-2)??傊?,這項(xiàng)系統(tǒng)的研究通過提供一個(gè)有用的電極設(shè)計(jì)原則,擴(kuò)大了將硫化物基ASSBs推進(jìn)到更可靠和更有競(jìng)爭(zhēng)力的水平的機(jī)會(huì)范圍:在穩(wěn)定的基體中微觀分布的反應(yīng)性金屬域能夠?qū)崿F(xiàn)高度穩(wěn)定的鋰(脫)鍍。
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圖3 全電池性能
Room-Temperature Anode-less All-Solid-State Batteries via the Conversion Reaction of Metal Fluorides. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202203580
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8. 盧錫洪Angew:電解液添加劑助力高放電深度/高面容量/高電流下的鋅負(fù)極!
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析氫和枝晶問題是導(dǎo)致鋅負(fù)極壽命和庫侖效率(CE)有限的罪魁禍?zhǔn)祝貏e是在苛刻的測(cè)試條件下。
中山大學(xué)盧錫洪等考慮到Zn2+的Lewis酸性特征,建議采用具有豐富不共享對(duì)電子的親鋅Lewis堿分子作為合適的電解液添加劑,以穩(wěn)定在”三高”條件下(高放電深度(DOD)、高面積容量和高電流)的Zn負(fù)極。
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圖1 溶劑化結(jié)構(gòu)的MD模擬
首先,Zn2+與親鋅非共享對(duì)電子之間強(qiáng)烈的路易斯酸堿相互作用,預(yù)計(jì)將通過配位減少水合Zn2+溶劑化鞘中的H2O分子,并抑制Zn2+在界面上的隨機(jī)、不可控?cái)U(kuò)散。其次,不共享對(duì)電子的獨(dú)特吸電子特性可以與H2O分子相互作用,形成分子間氫鍵。強(qiáng)烈的分子間氫鍵效應(yīng)將打破H2O分子的四面體結(jié)構(gòu)及其原有的氫鍵網(wǎng)絡(luò),從而限制了自由水的反應(yīng)性。這兩個(gè)因素的結(jié)合可以實(shí)質(zhì)性地解決鋅負(fù)極的析氫和枝晶問題,即使是在”三高”情況下。
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圖2 半電池性能
作為概念證明,在上述優(yōu)點(diǎn)的推動(dòng)下,作者在ZOTF電解液(2M Zn(OTf)2-H2O)中加入DMF,在沉積/剝離過程中,在15%的DOD下,Zn負(fù)極的CE從~41.1%(50次循環(huán)后)提升到~100%(100次循環(huán)后)。其他路易斯堿分子如N,N-二甲基乙酰胺(NND)和1,2-二甲氧基乙烷(12D)也有類似的改善趨勢(shì)。令人鼓舞的是,大尺寸Zn||Zn-ZOTF-2H1D 軟包電池還實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)的循環(huán)耐久性,在約60%DOD時(shí)具有相對(duì)恒定的電壓滯后超過1000小時(shí),并具有顯著的高面容量。此外,通過在ZOTF-2H1D電解液中配對(duì)VO正極和Zn負(fù)極,還可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的全電池,約2000次循環(huán)后未檢測(cè)到可見的容量衰減,以及約100% CE。因此,這種在電解液中引入路易斯非共享對(duì)電子的做法為在極端測(cè)試條件下穩(wěn)定鋅負(fù)極提供了一個(gè)創(chuàng)新的想法。
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圖3 全電池性能
Unshared Pair Electrons of Zincophilic Lewis Base Enable Long-life Zn Anodes under “Three High” Conditions. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202208051

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