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贵州大学黄俊特聘教授、南昌大学陈义旺教授Angew：桥接电解质主体和界面化学的动态保护策略助力超长寿命水系锌电池

能源学人 · 公众号 · · 2024-12-02 11:11

正文

【研究背景】

近年来，电化学储能技术的进步及其在便携式电子产品和电动汽车等中的应用日益重要。在电化学储能系统中，电解质作为离子在两极之间转移的桥梁，在电极界面的化学反应非常关键。然而，在大多数电化学储能技术中，电解质环境和界面反应是混乱和不稳定的，导致其内部恶化而使得服役寿命有限，无法最大程度实现新兴电化学储能技术的快速发展。因此，合理的电解质设计和界面调节对于推动下一代电池技术的进步至关重要。可充电水系锌电池（AZBs）作为新兴电池化学的主力军，是冲击成为下一代大规模储能中被视为最大的竞争者。然而，AZBs的发展受到诸多限制，主要是面临着猖獗的枝晶生长、自发的析氢反应、不可避免的腐蚀、有害的副反应和不可控的锌阳极粉化的挑战。因此，这一循环寿命短的瓶颈主要归因于电解质主体的劣化以及锌金属界面的脆弱性，特别是在缺乏动态保护机制的情况下，不能对电池进行持续和全面的保护。

【工作介绍】

近日，贵州大学黄俊、南昌大学陈义旺团队利用甲壳素纳米晶体（ChNCs）的物理和化学协同效应，将其作为优异的胶体电解质，在电解质主体与界面化学之间架起桥梁，从而实现超长寿命的水系锌电池。这一独特策略不仅能够持续优化改善电池内的电解质主体环境和界面，还可以实现对内外机械损伤的自修复，从而实现全面、持久和动态的保护。因此，采用这一胶体电解质的锌电池在5~100 mA cm ^-2 的电流密度范围内表现出97.71%~99.81%的高库仑效率，并实现了高达8200小时（超过11个月）的超长循环寿命。此外，基于Zn//MnO ₂ 全电池在5 A g ^-1 的电流密度下，经过3000次循环后仍能保持70.1%的容量。这一动态保护策略为攻克水系锌化学的寿命瓶颈提供了新思路，也为构建更优异的AZBs及其相关电化学储能系统开辟了新的途径。该文章发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition期刊上，硕士研究生吴庆为本文第一作者。

【内容表述】

1. ChNCs的特性及其胶体电解质在优化锌化学体系的研究

图1. ChNCs和ChNCs/ZnSO ₄ 胶体电解质的表征。

2. ChNCs胶体电解质在调节电解质主体和增强界面化学两个方面的作用机制

图2. 优化电解质主体与界面化学的作用机制研究。

3. ChNCs胶体电解质在桥接优化电解质主体和界面化学的动态保护策略的研究

图3. ChNCs/ZnSO ₄ 胶体电解质动态保护策略的研究。

4. ChNCs胶体电解质的动态保护策略对半电池电化学性能的影响

图4. 含ChNCs/ZnSO ₄ 胶体电解质的Zn//Zn和Zn//Cu电池的电化学性能。

5. ChNCs胶体电解质对 Zn//MnO ₂ 全电池性能的影响

图5. 含ChNCs/ZnSO ₄ 胶体电解质的Zn//MnO ₂ 全电池表征。

【结论】

综上所述，该研究提出了一种以桥接优化电解质主体和界面化学的动态保护策略，助力实现了超长循环寿命的锌离子电池。精心设计的ChNCs具有协调的物理和化学相互作用，不仅具有调谐电解质环境和增强界面化学的双重作用，而且在循环过程中通过在电解质和界面之间反复穿梭来巡逻潜在的危险，从而实现持续、自修复和超稳定的水系锌离子电池。无论是电池内部发生有害的化学反应，还是内部引起的机械损伤和外部物理破坏，这种动态保护策略都能继续提供持续的保护，赋予电池自我修复的能力，从而显著延长其使用寿命。含ChNCs/ZnSO ₄ 胶体电解质的锌电池性能得到了显著提升：在5~100 mA cm ^-2 的电流密度范围内具有97.71%~99.81%的高库仑效率（CE），在5~50 mA cm ^-2 和5 mAh cm ^-2 条件下表现出优异的倍率性能，并在1 mA cm ^-2 和1 mAh cm ^-2 条件下实现了超过8200小时的超长服役寿命，同时Zn//MnO ₂ 全电池也表现出良好的稳定性。该研究为实现调谐电解质主体与增强界面化学的动态保护策略提供了新的视角，揭示了先进水系锌电池（AZBs）延长服役寿命的潜力。

Qing Wu, Jinlong Zhang, Song Yang, Fusheng Luo, Zeyu Yan, Xiude Liu, Haibo Xie, Jun Huang* and Yiwang Chen*, Bridging Electrolyte Bulk and Interfacial Chemistry: Dynamic Protective Strategy Enable Ultra-Long Lifespan Aqueous Zinc Batteries.

https://doi.org/10.1002/anie.202418524

通讯作者简介

黄俊，博士，特聘教授，贵州大学学科学术带头人，贵州省高层次人才，贵州省教育厅青年科技拔尖人才，博士毕业于南昌大学化学学院，师从国家杰青陈义旺教授。于2021年10月通过贵州大学特区人才引进计划进入贵州大学（特聘教授A岗）。主要从事纳米复合材料的设计合成、性能研究及其在超级电容器、微型超级电容器、锌离子电池中的应用。目前在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等权威期刊发表SCI论文50余篇（40余篇IF>10），申请20余项国家发明专利，主持国家自然科学基金、贵州省教育厅青年科技拔尖人才项目、贵州省科技成果应用及产业化重大项目、贵州省基础研发项目等。

陈义旺，南昌大学和江西师范大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家“万人计划”科技创新领军人才，国家百千万人才工程，德国洪堡奖学金获得者，享受国务院特殊津贴。2019年起历任江西师范大学副校长，副书记，2022年任赣南师范大学校长，南昌大学高分子及能源化学研究院院长，江西师范大学氟硅能源材料与化学教育部重点实验室主任，江西省化学化工学会理事长，中国化学会会士，教育部科技委委员，《Chinese J. Polym. Sci.》《Science China Materials》《eScience》《Fundamental Research》等编委。主持和完成国家自然科学基金重点项目/中德国际合作项目等、科技部973前期研究专项等项目。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.等国际期刊发表学术论文400余篇；获授权发明专利49项；撰写中英文专著2部，教材2部。作为第一完成人获江西省自然科学一等奖、教育部自然科学二等奖、获日内瓦国际发明展金奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖、中国产学研合作创新奖、江西省教学成果一等奖1项和二等奖3项、中国侨界贡献奖、获全国宝钢优秀教师奖。

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