金屬鋅資源豐富,比能量高,作為負極在鋅錳、鋅鎳、鋅銀和鋅空氣等電池中具有較為顯著的推廣優勢。但金屬鋅在傳統的水系電解液中,存在著嚴重的腐蝕和枝晶問題,極大地限制了鋅基電池的電化學性能和循環穩定性能。


為有效改善鋅負極的穩定性,中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員劉宇帶領的科研團隊開展了一系列工作,研究出一種具有高穩定性、柔性的自支撐明膠電解質隔膜。這種電解質具備獨特的熱可逆性和優異的無機鹽兼容性。通過構筑穩定的電極-電解質界面,鋅負極的腐蝕程度顯著降低,對稱電池循環穩定性得到提高(0.2 mA cm-2穩定循環800 h)且沒有明顯的枝晶形成。獨特的結構設計使電池具備柔性和抵抗外力刺激的穩定性。進一步地,基于明膠獨特的無機鹽增強效應,在高濃度的電解液中處理后的明膠電解質脫水,分子鏈之間形成強疏水相互作用,電解質的熱穩定性和機械性能明顯增強,獲得了目前所報道的機械性能最好的水系鋅基電池自支撐固態電解質隔膜。對稱電池在高達5 mA cm-2電流密度下可以穩定循環400 h。同時,優異的機械性能也提高了電池的安全性,拓展了其在柔性電池領域的應用。相關成果相繼發表于Journal of Materials Chemistry A(2018, DOI: 10.1039/c8ta08314b)和Journal of Materials Chemistry A(2019, DOI: 10.1039/c9ta07218g),其中2019年發表的文章成果被選為期刊封面,相關工作第一作者為在讀博士生韓奇。


團隊還設計了一種新的固水型電解質體系,該體系中的氣相納米二氧化硅(FS)通過表面活性基團絡合水分子,抑制了水對鋅負極的腐蝕;并且作為無機填料,增強隔膜的耐枝晶刺穿能力。非離子型表面活性劑(FMEE)的添加降低了Zn2+沉積活化能,與二氧化硅協同作用顯著抑制Zn枝晶生長,同時提升庫倫效率。相關工作成果發表在國際電化學專業期刊Journal of The Electrochemical Society(2019, DOI: 10.1149/2.1031906jes),第一作者為在讀博士生黃佳琪。


團隊進一步開發了與前述成果匹配的高活性正極材料,在10C的倍率條件下取得長達10000圈的循環穩定性,相關工作已被Journal of Power Sources 期刊接收,第一作者為在讀博士生劉云召。


上述研究工作的通訊作者和指導教師為劉宇和副研究員遲曉偉。


相關研究工作獲得中科院及科技部相關項目支持。

中科院研究出柔性高穩定的明膠電解質隔膜 可提高鋅基電池性能中科院研究出柔性高穩定的明膠電解質隔膜 可提高鋅基電池性能

原位構筑電極-電解質界面穩定鋅負極

中科院研究出柔性高穩定的明膠電解質隔膜 可提高鋅基電池性能

固水型電解質降低鋅負極腐蝕,提高庫倫效率

中科院研究出柔性高穩定的明膠電解質隔膜 可提高鋅基電池性能

新型高活性正極材料的電池循環圖


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