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王曉磊/陸俊AM:電極/電解質(zhì)優(yōu)化助力鋅離子電池100萬(wàn)次循環(huán)!

王曉磊/陸俊AM:電極/電解質(zhì)優(yōu)化助力鋅離子電池100萬(wàn)次循環(huán)!
鋅金屬已顯示出作為電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能負(fù)極材料的潛力,但面臨樹(shù)枝狀生長(zhǎng)和低庫(kù)侖效率的挑戰(zhàn)。
加拿大阿爾伯塔大學(xué)王曉磊、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室陸俊等通過(guò)設(shè)計(jì)電極和電解質(zhì),開(kāi)發(fā)了一種用于水系鋅離子電池和電容器(ZIBs和ZICs)的超快、穩(wěn)定和高負(fù)載的聚合物負(fù)極。
王曉磊/陸俊AM:電極/電解質(zhì)優(yōu)化助力鋅離子電池100萬(wàn)次循環(huán)!
圖1 PI-1和PI-1/CNT的電極工程和結(jié)構(gòu)表征
首先在理論計(jì)算的指導(dǎo)下,作者合成了一系列有/無(wú)碳納米管(CNT)的分子和聚合物,并用作ZIBs負(fù)極。在這些材料中,由于其低水溶性、高LUMO能級(jí)、窄帶隙和大π共軛,所得聚酰亞胺/CNT負(fù)極材料(PI-1/CNT)表現(xiàn)出高氧化還原活性和對(duì)Zn2+存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。另一方面,1.5 M Zn(OTf)2電解質(zhì)溶液具有高離子電導(dǎo)率、溫和的酸性、低粘度和豐富的Zn2+可及性。負(fù)極材料和電解質(zhì)溶液的這些特性有利于電池的快速充電和穩(wěn)定循環(huán)。
王曉磊/陸俊AM:電極/電解質(zhì)優(yōu)化助力鋅離子電池100萬(wàn)次循環(huán)!
圖2 PI-1/CNT電極優(yōu)化的電化學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)分析
因此,優(yōu)化的組合將使PI-1/CNT負(fù)極具有低放電電壓(0.2-0.4 V vs. Zn2+/Zn)、接近理論的容量(128 mAh g-1,50 mA g-1)、高CE(~100%)、超高負(fù)載(~50 mg cm-2)、快速充電能力(100 A g-1)以及長(zhǎng)達(dá)1000000次循環(huán)的非凡穩(wěn)定性。
此外,PI-1/CNT負(fù)極不僅可與ZIBs的電池正極相結(jié)合,表現(xiàn)出高功率密度(9.1 kW kg-1)和長(zhǎng)壽命(50000次循環(huán)),而且與ZICs的超級(jí)電容器正極相結(jié)合,在10和200 A g-1下,實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100萬(wàn)次循環(huán)的創(chuàng)紀(jì)錄穩(wěn)定性,遠(yuǎn)優(yōu)于基于Zn金屬負(fù)極的相應(yīng)器件,即使在過(guò)量時(shí)也是如此。
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圖3 PI-1/CNT作為ZIBs和ZICs無(wú)鋅金屬負(fù)極的應(yīng)用

Ultrafast, Durable, and High-loading Polymer Anode for Aqueous Zinc-Ion Batteries and Supercapacitors. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202200077

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