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中南大学雷永鹏教授《AFM》：仿生脂肪设计助力锌-空气电池-40℃下创纪录长循环！

高分子科学前沿  · 公众号  ·  · 2023-09-27 00:12

正文

锌-空气电池（ZAB）具有理论能量密度高、成本效益高和环境友好等特点而极具吸引力。凝胶聚合物电解质（GPE）得益于丰富的极性基团和三维网络结构，有望促进锌离子脱溶剂化并抑制锌枝晶，从而构建稳定的锌-电解质界面。然而，采用GPE的ZABs在低温下的输出性能仍然是一个挑战。

近日， 中南大学 雷永鹏教授 受动物体脂肪层的启发，将生物仿生脂肪构建为固态锌-空气电池的电解质，从而在低温下实现优异的循环性能。 研究显示，抗冻凝胶电解质通过量身定制的阴离子-H 2 O相互作用，同时具备界面相容性、温度适应性和稳定供电等多重性能，并构建了稳健的锌-电解质界面，从而促进了界面电场的均匀性和锌的沉积。因此，在 25℃、50 mA cm -2 的高电流密度条件下，该器件具有120小时的出色长期循环能力。此外，在零下40℃、电流密度高达10 mA cm -2 的条件下，还实现了205小时的创纪录长循环寿命。

文章要点：

1. 这项工作通过阴离子介导的仿生脂肪，在低温下实现了均匀的锌沉积。在此基础上，锌-空气电池在大电流密度下实现了创纪录的长循环寿命（25℃时120 h@50 mAcm -2 ，-40℃时205 h@10 mAcm -2 ）。

2. 阴离子与H 2 O之间定制的相互作用赋予了抗冻仿生脂肪电解质便利的离子传输和稳定的界面，促进了均匀的界面电场和一致的锌沉积。因此，它有助于在低温下均匀沉积锌和抑制锌枝晶，从而促进ZABs的优异性能。

3. 这项研究为设计适用于复杂苛刻环境的凝胶聚合物电解质提供了一种方法，并为设计用于能源设备的新型凝胶基电解质提供启示。

图1 仿生脂肪概念示意图

图2 仿生脂肪的合成与结构表征

图3 固态ZABs在−40°C下的电化学性能

图4 −40°C下不同凝胶电解质下锌沉积的分析
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