西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)官操教授課題組EES新成果：生物啟發(fā)激素電解質(zhì)的負(fù)反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)定鋅負(fù)極

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】實(shí)用的高能量/功率密度的可充電鋅離子電池是可持續(xù)能源存儲(chǔ)的理想選擇，但其仍然受到不可逆枝晶生長(zhǎng)和低鋅利用率的限制。由于Zn/Zn2+反應(yīng)過(guò)程本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)正反饋循環(huán)，因此不可避免地會(huì)出現(xiàn)不均勻鋅沉積行為并不斷惡化。特別是在高放電深度(DOD)和大電流密度/容量下，快速的動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程會(huì)放大累積的枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng)，導(dǎo)致電池在鋅負(fù)極嚴(yán)重過(guò)剩的情況下快速失效，造成較低的能量/功率密度。因此，迫切需要新穎的電解質(zhì)策略來(lái)推動(dòng)鋅離子電池在高能量和功率密度下穩(wěn)定工作。
 

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)官操教授課題組受血液系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)凝血/抗凝過(guò)程的啟發(fā)，提出了一種自調(diào)節(jié)的負(fù)反饋“激素”電解質(zhì)(圖1)。仿生“激素”重塑Zn2+配位微環(huán)境，動(dòng)態(tài)吸附在初始不均勻的鋅尖端上，自發(fā)排斥Zn2+并屏蔽H2O分子，從而形成負(fù)反饋回路，優(yōu)化副反應(yīng)問(wèn)題和Zn2+沉積過(guò)程(圖2)。與以往報(bào)道的基于靜態(tài)修飾的電解質(zhì)策略相反，負(fù)反饋電解質(zhì)動(dòng)態(tài)感知和調(diào)節(jié)出現(xiàn)的不均勻鋅尖端，顯著提高高電流密度/容量條件下的鋅負(fù)極穩(wěn)定性。采用“激素”電解質(zhì)的鋅電極可以在20 mA cm-2/10 mAh cm-2(85.5% DOD)和50 mA cm-2/20 mAh cm-2(68.3% DOD)條件下穩(wěn)定循環(huán)240小時(shí)，累積容量高達(dá)6000 mAh cm-2(圖3)。此外，該電池具有高能量/功率密度(252.63 W kg-1/101.05 Wh kg-1)，為開(kāi)發(fā)長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定的實(shí)用化金屬電池提供新穎的策略。
 

圖1.仿生負(fù)反饋電解質(zhì)設(shè)計(jì)。
 

圖2.“激素”電解質(zhì)的作用機(jī)理研究。
 

圖3.鋅負(fù)極的電化學(xué)性能評(píng)價(jià)。
 

　　這項(xiàng)研究以"Bio-inspired hormonic electrolyte: negative feedback for ultra-stable zinc anodes"為題，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy & Environmental Science)上。西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院博士研究生卜凡和碩士研究生剌少菲為論文第一作者，官操教授為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、陜西省自然科學(xué)基金以及西安市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。