【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化學物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學與能源應(yīng)用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T團隊和韓國延世大學Sang-Young Lee教授、高麗大學Sang Kyu Kwak教授等合作，在超低溫鋅離子電池研究中取得新進展。合作團隊在水系電解質(zhì)中引入軟酸/硬堿兩性離子，增強了電解質(zhì)-電極界面的抗凍性質(zhì)，以此構(gòu)建出無負極、超低溫鋅離子全電池。
鋅離子電池作為一種高安全、低成本新型電化學儲能器件，受到了廣泛關(guān)注。從2017年開始，508組研究團隊在高性能鋅離子電池關(guān)鍵材料與器件研制方面開展了較為系統(tǒng)的研究：開發(fā)出高活性位點、高容量和高倍率V2O5/石墨烯二維材料(Adv. Energy Mater.，2020；Energy Storage Mater.，2020)，構(gòu)建了快速離子-電子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；提出了模板法合成了一系列二維介孔材料，有效調(diào)控了電極-電解質(zhì)界面，構(gòu)建了無枝晶高穩(wěn)定鋅負極(Small，2022；Nat. Commun.，2021)；發(fā)展了絲網(wǎng)印刷、3D打印、微流控輔助、模板輔助技術(shù)，構(gòu)建了高容量鋅離子微型電池/電容器(Natl. Sci. Rev.，2020；Adv. Energy Mater.，2022；Adv. Energy Mater.，2023；Adv. Energy Mater.，2020)等。然而，低溫下水活度降低、電解液粘度增加、界面反應(yīng)動力學及傳質(zhì)動力學緩慢等問題，導致了界面處嚴重的濃差極化。同時，陰陽離子之間的靜電作用力的增大，導致水系電解液低溫下容易固化，進而阻礙了低溫下的離子遷移以及電解液低溫下(<-30℃)的熱力學穩(wěn)定性。因此，如何發(fā)展低溫下高離子電導的水系電解液，以此構(gòu)建低溫環(huán)境下的高性能鋅離子電池，仍面臨很大挑戰(zhàn)。
本工作中，合作團隊提出了一種通過兩性離子重組水系電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)的新策略，增強了電解質(zhì)-電極界面的抗凍性質(zhì)和 Zn2+脫溶劑化動力學。團隊根據(jù)軟硬酸堿(HSAB)原理系統(tǒng)地探索了軟酸/硬堿兩性離子的分子界面相互作用，優(yōu)化并篩選出弱酸性陽離子和強堿性陰離子結(jié)合的2-(三甲基銨基)乙酸酯(TAA，[N(CH3)3] +CH2[COO]-)為最佳兩性離子。研究發(fā)現(xiàn)，在水系電解質(zhì)(三氟甲磺酸鋅鹽，Zn(OTf)2)中，TAA可以與水分子以及從 Zn(OTf)2鹽中離解出的陽離子/陰離子配位，從而破壞了水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)，削弱了 Zn2+-OTf-的相互作用，破壞了溶劑化殼的穩(wěn)定性。該電解質(zhì)(4m Zn(OTf)2 + 3m TAA)增強了低溫下抗凍性質(zhì)，固液轉(zhuǎn)變溫度降至 -95℃。利用此電解質(zhì)，Zn||Cu非對稱電池實現(xiàn)了穩(wěn)定的鋅沉積/溶解，在25 ℃和-40 ℃下，實現(xiàn)了99.93%和99.8%的高庫倫效率。進一步，團隊構(gòu)建的無陽極鋅離子電池即使在-40 ℃下，仍能提供高能量密度142Wh/kg和高功率密度230W/kg。該工作為構(gòu)建超低溫、無負極鋅離子全電池提供了新思路。
相關(guān)研究成果以“Restructuring of aqueous electrolytes using a soft-acidic/hard-basic zwitterion for low-temperature anode-free Zn batteries”為題，發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》(Energy & Environmental Science)上。上述工作得到國家自然科學基金、大連化學物理研究所創(chuàng)新基金等項目的資助。(文/圖 王瀟)
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