麦文杰&支春义Angew:主客体化学启发下的高性能锌电池!

研究背景

全球环境恶化和能源短缺,升级电化学存储设施的容量的惊人的需求以及可靠的安全需求等因素,促使水系电池特别是锌离子电池(ZIBs) 快速发展。ZIBs逐渐成为有吸引力的锂离子电池的替代储能装置之一。然而,ZIBs目前存在锌负极上的枝晶/副产物严重、Zn2+离子转移/扩散缓慢以及能量密度差等问题。
麦文杰&支春义Angew:主客体化学启发下的高性能锌电池!
近日,受主客相互作用化学的启发,暨南大学麦文杰研究员和香港城市大学支春义教授等人提出了一个有趣的电解质工程的设计:在Zn(ClO4)2电解液中引入阴离子捕集剂β-环糊精(β-CD),阴离子ClO4被困在β-CD的空腔内,削弱了Zn2+迁移的能垒,从而显着提高了Zn2+迁移数至0.878。

图文解读

麦文杰&支春义Angew:主客体化学启发下的高性能锌电池!
图1. β-CD@ ClO4配合物主客体相互作用的量子化学计算和表征
作者通过理论计算、光谱表征和等温滴定量热法(ITC)测量,清楚地证明了β-CD和ClO4阴离子之间的主-客体相互作用以及β-CD@ ClO4配合物的形成。由于固定化ClO4的均匀分散,Zn2+的迁移数从0.457明显提高到0.878,显著减轻了电极表面附近的阳离子耗竭,抑制了锌枝晶的随机生长。更引人注目的是,β-CD@ ClO4配合物通过控制不同晶面上的生长速率,阻止了锌枝晶的产生,以及包括HER和腐蚀行为在内的副反应,使平面Zn(002)优先暴露。
麦文杰&支春义Angew:主客体化学启发下的高性能锌电池!
图2. 锌负极晶体重新取向的调节功能和机制
麦文杰&支春义Angew:主客体化学启发下的高性能锌电池!
图3. 理论模拟和电化学测试解释β-CD@ ClO4配合物调制的快速Zn2+扩散
此外,实验结果和有限元分析结果表明,β-CD的阴离子阱效应有利于更流畅均匀的锌离子通量转移,阻止锌枝晶的生长。作者通过Zn||Zn对称电池的长周期循环实验,进一步证实了β-CD对锌枝晶生长抑制的增强作用,如图4d和4e所示。β-CD@ClO4复杂的独特结构进一步导致显著提升Zn||Zn对称电池的性能,在1 mA cm-2/1 mAh cm-2和5 mA cm-2/5 mAh cm-2下分别使用超过1000 h和350 h,性能超过10倍的增强。此外,利用含β-CD电解质的Zn||Cu电池的库伦效率(CE)性能优于纯Zn(ClO4)2,在330个周期内,第一个周期为88.3%对80.9%,平均为97.6%对84.9%。
麦文杰&支春义Angew:主客体化学启发下的高性能锌电池!
图4. Zn沉积过程的传递行为分析和长期稳定性

麦文杰&支春义Angew:主客体化学启发下的高性能锌电池!

图5. 不同电解质下Zn-MnO2全电池的综合性能
对于Zn-MnO2全电池,比容量最大提高57%,在1000次长循环后依然具有63.9%的容量保持率。通过引入β-CD添加剂,Zn-MnO2全电池在所有测试条件下都表现出明显更高的容量(增强约51%-57%)。原因可以分为以下两点:
一、较高的锌离子迁移数保证了本体电解质环境和电极/电解质界面之间稳定和足够的锌通量,从而使两个电极两侧的反应效率更高;
二、恒流间歇滴定技术(GITT)结果表明,更好的Zn离子迁移行为有利于Zn2+的扩散过程。该器件在0.1 A g-1的电流密度下提供的容量为181.5 mAh g-1,并在1.0 A g-1的快速充放电速度下保持79.0 mAh g-1,显示其良好的倍率性能。

该工作强调了控制水溶液电解质中的阴离子行为对实现无枝晶锌沉积的重要性,并为在电解质设计中实现水溶液电池性能的提高提供了新的见解。

文献链接

Anion-trap Engineering toward Remarkable Crystallographic Reorientation and Efficient Cation Migration of Zn Ion Batteries. Angew. https://doi.org/10.1002/anie.202210979

原创文章,作者:v-suan,如若转载,请注明来源华算科技,注明出处:https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/08/5df5f27c8d/

(0)

相关推荐