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港科大AFM: -30℃低溫下穩(wěn)定循環(huán)500次的高性能鋅離子電池！

水系鋅離子電池（ZIBs）因其固有的安全性、生態(tài)友好性和成本效益而成為一種很有前途的儲能技術(shù)。然而，水系電解液通常會引起寄生界面反應(yīng)（例如枝晶生長和鈍化），從而降低鋅金屬負(fù)極的壽命進(jìn)而縮短ZIBs的壽命。

在此，香港科技大學(xué)Francesco Ciucci教授等人開發(fā)了一種含有環(huán)丁砜（SL）和 Zn(ClO₄)₂·6H₂O的新型水合深共晶電解質(zhì)（DEE），以防止水分解引起的性能劣化。該DEE的新穎之處如下：首先，DEE具有SL，這是一種具有低熔點(diǎn) (28 °C)、中等路易斯堿度（供體數(shù)為15）和優(yōu)異的電化學(xué)/熱穩(wěn)定性（沸點(diǎn)為285 °C，閃點(diǎn)為165 °C）的有機(jī)塑料晶體。

SL和Zn²⁺之間的強(qiáng)配位觸發(fā)了深共晶效應(yīng)，使DEE具有較低的凝固溫度。其次，該DEE包含Zn(ClO₄)₂·6H₂O，這種廉價且易溶的鋅鹽中的水分子形成獨(dú)特的DEE水包水結(jié)構(gòu)，這有助于提高離子電導(dǎo)率、降低電解液粘度和促進(jìn)鋅負(fù)極上的Zn²⁺去溶劑化。此外，水分子結(jié)合在共晶網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致氧化/還原延遲和DEE的大電化學(xué)窗口。

圖1. 分子動力學(xué)模擬確定 Zn(ClO₄)₂·6H₂O的溶劑化結(jié)構(gòu)

此外，DEE還具有寬廣的工作溫度范圍，范圍從-40 °C 到室溫 (RT)。簡而言之，DEE易于制造、價格低廉、不可燃且穩(wěn)定。因此，組裝的Zn|DEE|Zn對稱電池在0.5 mA cm^-2下循環(huán)超過800小時，在0.2 mA cm^-2下循環(huán)2000小時而沒有短路，表明對鋅枝晶的有效抑制。

此外，使用聚苯胺（PANI）正極組裝的Zn|DEE|PANI電池可在室溫下以72 mAh g^-1的容量在3 A g^-1下循環(huán)2500次，甚至在-30°C時以73 mAh g^-1的容量在0.3 A g^-1下仍能循環(huán)500次。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)用于實用ZIB的低成本和穩(wěn)定電解質(zhì)提供了新的見解和途徑。

圖2. Zn|DEE|PANI電池的電化學(xué)性能

Hydrated Deep Eutectic Electrolytes for High-Performance Zn-Ion Batteries Capable of Low-Temperature Operation, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202109322

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