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【能源】Angew. Chem.：超長壽命！螯合添加劑調(diào)節(jié)鋅離子溶劑化學(xué)促進(jìn)高效水系鋅金屬電池

時(shí)間：2024-04-08 來源： 瀏覽：

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水系鋅金屬電池 （AZMB）因其安全性高、成本低和環(huán)境友好而被視為最有前途的可持續(xù)儲(chǔ)能設(shè)備之一。然而，鋅金屬負(fù)極往往面臨著嚴(yán)重的副反應(yīng)、析氫反應(yīng)（HER）和枝晶的不可控生長等問題，尤其是持續(xù)且大量的產(chǎn)生的活性水分子影響了鋅金屬的穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致AZMB快速的容量衰減、有限的循環(huán)壽命、低的庫倫效率。電解液添加劑因其簡(jiǎn)單、有效和低成本的特點(diǎn)而被廣泛使用。選擇具有特殊官能團(tuán)的添加劑與鋅離子配位，可以減少鋅離子溶劑化鞘內(nèi)的配位水分子，抑制活性水引起的副反應(yīng)。大部分電解液添加劑一般只能提供與鋅離子配位的單溶劑化位點(diǎn)（ASS），這意味著一旦添加到電解液中，只能取代鋅離子內(nèi)的一個(gè)水分子，添加ASS添加劑所帶來的積極效果并不十分理想。為了最大限度地提高添加劑的效果，可以引入具有多個(gè)溶劑化位點(diǎn)的添加劑，以取代鋅離子溶劑化鞘中更多的水分子。

近日， 中南大學(xué) 的 常智 教授、 潘安強(qiáng) 教授與 南京大學(xué) 的 周豪慎 教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) 具有雙溶劑化位點(diǎn)的N-乙?；?ε-己內(nèi)酰胺（N-ac）可以作為鋅離子的螯合配體，最大限度地減少鋅離子溶劑化鞘層內(nèi)的水分子，作為鋅離子電池電解液添加劑時(shí)可以極大抑制AZMB中常見的與活性水有關(guān)的嚴(yán)重副反應(yīng)和HER現(xiàn)象 。基于添加劑改性的電解液的對(duì)稱電池和半電池實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)壽命與庫侖效率，Zn//Zn V 6 O 16 ?8 H 2 O全電池和軟包電池也獲得了高的容量保持率和穩(wěn)定的循環(huán)性能。該成果近期發(fā)表于 Angew. Chem. Int. Ed. 上，中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生 許東明 為本文的第一作者。

N-乙?；?ε-己內(nèi)酰胺（N-ac）作為一種低成本有機(jī)分子，可用作AZMB電解質(zhì)的高效螯合添加劑。具有雙溶劑化位點(diǎn)的N-ac添加劑可以通過取代鋅離子溶劑化鞘內(nèi)的兩個(gè) H 2 O，使其兩個(gè)羰基與鋅離子配位，最大限度地減少鋅離子溶劑化鞘內(nèi)的水分子，調(diào)節(jié)電解液溶劑化結(jié)構(gòu)。

相較于傳統(tǒng)的水系電解液與含有具有單溶劑化位點(diǎn)（ASS）的添加劑的電解液，在含有具有雙溶劑化位點(diǎn)（ADS）的添加劑的電解液中工作的鋅金屬具有更好的穩(wěn)定性，同時(shí)形成的鋅金屬-電解質(zhì)動(dòng)態(tài)界面層會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)鋅金屬電池性能的提升。在N-ac作為螯合配位添加劑的水系鋅離子電解液中，Zn//Zn對(duì)稱電池還表現(xiàn)出9800小時(shí)（超過一年）的超長壽命；Zn//Cu半電池在8000次循環(huán)中實(shí)現(xiàn)了99.89%的超高庫侖效率。

基于螯合添加劑改性的電解液中的Zn//Zn V 6 O 16 ?8 H 2 O全電池在超長的2000次循環(huán)后仍能保持78%的容量。此外，40 mAh的Zn//ZVO軟包電池在循環(huán)100次后也能保持90.2%的容量。這項(xiàng)具有雙溶劑化位點(diǎn)的電解質(zhì)添加劑的研究可為水系鋅金屬電池帶來更好的電化學(xué)性能，為開發(fā)高效AZMB提供了一種新的思路。
相關(guān)工作發(fā)表在 Angew. Chem. Int. Ed. 上。
原文（掃描或長按二維碼，識(shí)別后直達(dá)原文頁面）：
Chelating Additive Regulating Zn-Ion Solvation Chemistry for Highly Efficient Aqueous Zinc-metal Battery
Dongming Xu, Xueting Ren, Yuran Zhou, Simin Chai, Yining Chen, Hang Li, Lishun Bai, Zhi Chang,* Anqiang Pan* and Haoshen Zhou*.
Angew. Chem. Int. Ed. ,  2024 , DOI: 10.1002/anie.202402833
導(dǎo)師介紹
常智
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