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Nature子刊:不长枝晶的长寿命金属锌电池!

北极星储能网  来源:纳米人  作者:晴天  2018/4/17 8:49:40  我要投稿  

北极星储能网讯:自从1799年伏打电池问世以来,金属Zn由于具有较高的理论容量(820 mAh g-1)、较低的电势(-0.762V vs SHE)以及储量丰富、低毒和安全等诸多优点,被视为水系电池理想的负极材料之一。

图1. Ni-3D Zn电池

Joseph F. Parker, Debra R. Rolison etal. Regeable nickel–3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternativeto lithium-ion. Science 2017, 356, 415-418.

问题在于:在碱性水溶液中,金属Zn容易发生化学反应而产生低库伦效率、枝晶生长以及水消耗等问题,造成充放电不可逆等问题。即便在中性条件下,枝晶问题有所减缓,而低库伦效率仍然是一个重大问题。

有鉴于此,美国马里兰大学Chunsheng Wang和美国陆军研究实验室Kang Xu等人报道了一种基于高浓度Zn2+的水系电解质,实现了高库伦效率、无枝晶的高可逆金属Zn电池。

图2. 金属Zn负极测试

研究人员以1m Zn(TFSI)2和20m LiTFSI混合配置高浓度电解质,pH呈中性。这种独特的电解质配方确保了在近乎100%的库伦效率下几乎不生长枝晶。同时,在开放空气环境中,水量不会减少,这样,电池配置就不一定必须是密封型的。

图3. Li盐浓度的影响

研究人员分别以LiMn2O4和O2作为正极材料,与金属Zn负极组成全电池。基于LiMn2O4正极的金属Zn电池在循环4000圈后,实现80%的容量保留率,达到180 Wh kg-1。基于O2正极的金属Zn电池在循环200圈后,达到300 Whkg-1(按正极:1000 Wh kg-1)。

图4. Zn/ LiMn2O4全电池性能

图5. Zn/O2全电池性能

结构表征、谱学研究以及分子模拟综合表明,这种金属Zn电池的高度可逆性来源于高浓度水系电解质中Zn2+的溶剂化-保护层(solvation-sheath)结构。大量阴离子迫使它们涌向附近的Zn2+,形成离子对(Zn-TFSI)+,有效抑制(Zn-(H2O)6)2+的形成。

图6. 分子动力学模拟

总之,这项研究为金属Zn负极应用于水系电池开辟了全新的道路,并为其他类型的不可逆电池提供了借鉴!

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原标题:Nature子刊:不长枝晶的长寿命金属锌电池!

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