可充電水系鋅電池因其可靠的安全性、環(huán)境友好性和豐富的資源可用性而成為儲能系統(tǒng)中有前途的候選者。由于過渡金屬氧化物和有機材料成本高、制造工藝復(fù)雜而推動人們探索其他可持續(xù)替代的正極材料，以滿足儲能技術(shù)需求。硫元素因其具有高的理論容量（1672 mAh g?1）和較高的資源豐富度而成為金屬電池中正極材料的理想選擇。水系鋅硫電池固有的高安全性和低成本性促使在硫基電池中脫穎而出。然而，硫正極氧化還原動力學(xué)緩慢、負極穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)依然存在。
基于此，東華大學(xué)朱美芳院士/徐桂銀教授團隊通過引入低成本的丙二醇甲醚（PM）作為助溶劑和碘化鋅（ZnI2）作為添加劑調(diào)節(jié)電解質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以構(gòu)建穩(wěn)定的鋅負極并促進硫正極轉(zhuǎn)化動力學(xué)。該工作以“Engineering Electrolyte Network Structure for Improved Kinetics and Dendrite Suppression in Zn‐S Batteries”為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。
圖3. 鋅負極的動力學(xué)和穩(wěn)定性
圖6. 全電池的電化學(xué)性能
為了證明PM和ZnI2的協(xié)同作用對鋅硫電池的性能提升的優(yōu)異效果，在1 A g?1的電流密度下測試了四種電解質(zhì)的循環(huán)穩(wěn)定性（圖 S30）。Z/W/PM/I電解質(zhì)組裝的電池能夠在100次循環(huán)中保持1000 mAh g?1的容量。Z/W/I電解質(zhì)表現(xiàn)出顯著衰減，而其他兩種電解質(zhì)幾乎沒有容量。此外，在Z/W/PM/I電解質(zhì)中進行小電流電化學(xué)活化后，鋅硫電池在3 A g?1的電流密度下表現(xiàn)出長達1200次穩(wěn)定循環(huán)。它提供了480 mAh g?1的容量，容量保持率為70%（圖 5i）。
他們已經(jīng)成功展示了一種結(jié)合了低成本和卓越性能的水性鋅硫電池。這一成果就是通過戰(zhàn)略性地引入碘源（ZnI2）和添加助溶劑（PM）來實現(xiàn)的。通過非原位電化學(xué)、光譜表征以及電化學(xué)性能測試，該工作證實了PM和ZnI2的協(xié)同作用促進了硫陰極的轉(zhuǎn)化動力學(xué)并構(gòu)建了穩(wěn)定的鋅負極界面。助溶劑PM中羥基引起的偶極矩變化有效地促進了更多的電子從鋅負極向電解質(zhì)中轉(zhuǎn)移，且促進了陰離子（OTF?）的分解，形成穩(wěn)定的SEI。同時，PM調(diào)節(jié)了Zn2+的溶劑化結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定了電解質(zhì)中自由水分子的同時，促進了配體中水分子的脫溶，從而提高了Zn2+的傳輸動力學(xué)和界面相容性。此外，PM作為電子供體參與了可逆I?/I??反應(yīng)，協(xié)同促進了硫陰極的動力學(xué)。組裝的水性鋅硫電池可以在0.2 A g?1下提供1456 mAh g?1的高容量和471.8 Wh kg?1的高能量密度，在3 A g?1的電流密度下具有超過1200次的穩(wěn)定循環(huán)。該研究為開發(fā)高性能、低成本的水系鋅硫電池體系開辟了一條途徑，推動鋅硫電池的應(yīng)用與發(fā)展。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202422047
