中科院合肥研究院在水系鋅離子電池電解液研究方面獲進展,該研究通過在水系鋅鹽電解液中引入1,4-二氧六環(DX)分子建立鋅晶體(002)面擇優取向生長機制,有效抑制了鋅枝晶生長,提升了電池可逆性和循環穩定性能。

中科院合肥研究院在水系鋅離子電池電解液研究方面獲進展

圖1.不同電解液中的鋅沉積機理示意圖:a、ZnSO4,b、DX/ZnSO4  

近日,中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所能源材料與器件制造研究部李兆乾等在水系鋅離子電池電解液研究方面取得新進展。該研究通過在水系鋅鹽電解液中引入1,4-二氧六環(DX)分子建立鋅晶體(002)面擇優取向生長機制,有效抑制了鋅枝晶生長,提升了電池可逆性和循環穩定性能。相關研究成果發表在ACS Nano上。

水系鋅離子電池具有理論比容量高、氧化還原電位低、安全可靠、環境友好等優點,是頗有前景的規?;瘍δ芗夹g。然而,鋅負極表面的枝晶生長和副反應問題導致陽極/電解質界面嚴重不穩定,限制了其規?;瘧?。對于鋅(六方密堆積)體,(002)晶面具有最低的表面能和最慢的生長速度,呈現出表面反應控制的沉積過程,從而緩解了嚴重的Zn2+通量和副反應。因此,誘導鋅(002)面生長可以有效地緩解枝晶生長和副反應的問題。

科研人員構建了以調整陽極/電解質界面狀態為重點的先進電解液調制工程,通過二氧六環的吸附調節,誘導Zn(002)織構生長并抑制有害的副反應。在10 mA cm-2下,添加DX的鋅離子電池具有1000 h的循環穩定性、5 Ah cm-2的超高累積沉積容量以及良好的可逆性,平均庫侖效率達99.7%。Zn//NH4V4O10全電池實現了高放電比容量(5A g-1時為202 mAh g-1)和容量保持率(5000次循環后為90.6%),優于使用純ZnSO4電解質的鋅離子電池。

該研究通過吸附分子選擇性地調節Zn2+在晶面上的沉積速率,為分子水平上調制高性能鋅陽極提供了頗具前景的策略,并有望應用于其他穩定性和可逆性差的金屬陽極。研究工作得到合肥研究院院長基金的支持。 

中科院合肥研究院在水系鋅離子電池電解液研究方面獲進展

圖2.a、5 mA cm-2下,ZnSO4和DX/ZnSO4電解質中Zn的原位沉積;b、在5 mAh cm-2電鍍容量下【R = I(002)/I(101)】,不同電流密度下沉積Zn的XRD譜圖;c、10 mA cm-2下沉積Zn的SEM圖像;d、DX分子在Zn(002)、(100)、(101)表面的吸附能;e、在DX吸附的Zn原子上Zn2+的吸收能。氧原子用紅色表示,氫用粉色表示,碳用棕色表示,鋅用灰色表示。

[責任編輯:陳語]

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