支春义/朱文光/刘玮书Nature子刊: 颠覆！性能超越常温的低温水系锌离子电池

可充电电池的性能受到工作环境温度的强烈影响，特别是低温（例如≤0°C）不利于有效的电池循环，这是一个长期存在的问题。

在此，为了解决上述问题，香港城市大学支春义教授、南方科技大学刘玮书研究员及中国科学技术大学朱文光教授等人提出了一种低温水系锌离子电池（AZIB），该电池由少层Bi₂Se₃纳米片（拓扑绝缘体，E-Bi₂Se₃）作为正极、金属锌作为负极和防冻聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶电解质组成，其中高浓度盐与乙二醇一起掺入（表示为HC-EGPAM）。块状Bi₂Se₃（P-Bi₂Se₃）通过水热插层很容易剥离成E-Bi₂Se₃，以增强拓扑表面态的耦合优势。

令人惊讶的是，Zn||E-Bi₂Se₃电池表现出异常的低温性能（-20 °C、0.3 A g^-1时的容量高达524 mAh g^-1），甚至优于其在25 °C时的性能（在0.3 A g^-1时的容量为327 mAh g^-1）和所有先前报道的低温电池的测量值。

图1. 可充电准固态Zn||E-Bi₂Se₃电池的电化学性能

研究表明，每个分子的E-Bi₂Se₃在25°C放电时最多可容纳4个 Zn²⁺，在-20°C时可容纳6个 Zn²⁺，同时晶胞参数也大大增加。不寻常的性能归因于E-Bi₂Se₃的拓扑性质改善了较低温度下电池反应的动力学，本研究通过观察到的较高电子电导率和较低温度下拓扑E-Bi₂Se₃正极的良好离子扩散证实了这一点。

有趣的是，在将Zn²⁺嵌入E-Bi₂Se₃正极后，作者通过进行电化学测试、DFT计算和从头算分子动力学（MD）模拟揭示了平凡金属态对放电产物Zn_xBi₂Se₃的增强贡献。作者相信，开发的拓扑绝缘体电极和在较低温度下异常出色的电池性能将为生产可在寒冷气候下长时间运行的电池提供机会，同时将从使用拓扑绝缘体作为电极的角度对低温电池的研究产生启发。

图2. E-Bi₂Se₃正极在电化学循环过程中的结构演变

Few-layer bismuth selenide cathode for low-temperature quasi-solid-state aqueous zinc metal batteries, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-28380-y

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