曲良体/张志攀/刘峰Science子刊: 高面能量密度的极性可切换锌-溴微电池

微电池（MB）有望为各种小型化电子设备提供电力，但其通常面临复杂制造过程和低面积能量密度的问题。此外，目前MBs的正极都是固态的，面容量和反应动力学之间的权衡限制了其广泛应用。

图1. Zn-Br₂ MBs的构建过程和工作机理

在此，清华大学曲良体教授、北京理工大学张志攀教授及中科院力学研究所刘峰副研究员等人提出了一种双镀策略来快速构建具有液体正极的锌溴（Zn-Br₂） MBs，这不仅摆脱了传统方法的复杂和耗时的流程，而且有助于平面MBs实现高面积能量/功率密度。

其中，电解质是关键，它含有氧化还原活性阳离子（Zn²⁺）和阴离子（Br^–）。在充电过程中，Zn²⁺获得电子沉积在负极集流体上形成锌负极；同时，Br^–损失电子以产生作为正极集电体上正极的Br₂，放电过程则相反。Zn-Br₂MBs具有无电极特性，它只需要一个叉指型集流体和一个氧化还原活性电解质，消除了活性材料的合成，绕过了在不同微电极上精确涂覆或沉积正负极的挑战。此外，还可以巧妙地避免正负极麻烦和耗时的质量匹配。

图2. Zn-Br₂ MBs充放电过程的operando可视化

由于液体介质中的快速反应动力学，Br₂正极的液体特性可规避能量密度和功率密度之间的权衡。得益于这些优点，Zn-Br₂ MB提供了创纪录的高面容量和能量密度（2220 μAh cm^-2和3645 μWh cm^-2），并保持26.2 mW cm^-2的出色功率密度，是大多数平面MBs的10倍以上。值得一提的是，这些电化学性能是在没有任何过量正/负极的情况下获得的。该MBs还具有良好的柔韧性，在不同的弯曲状态下保持几乎相同的充放电曲线。同时，Zn-Br₂ MBs显示出独特的极性可切换特性，允许在充电过程中对可能的故障操作进行自整流，如错误连接正负极。

总之，这项工作为快速构建平面内MBs提供了一种新的简单而有效的方法，该方法适用于固体和液体微电极。Zn-Br₂ MB作为一种新型MB，不仅丰富了微型储能器件，而且为平面内MB树立了新的标杆。

图3. Zn-Br₂MBs的电化学性能和柔韧性

Fast constructing polarity-switchable zinc-bromine microbatteries with high areal energy density, Science Advances 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abo6688

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