郭再萍院士团队，再发EES：-60至60℃宽温，8000次长循环！

第一作者：Ruizhi Zhang

通讯作者：郭再萍，Sailin Liu，Qiong Cai

通讯单位：澳大利亚阿德莱德大学，英国萨里大学

论文速览

水系锌离子电池（AZIB）是电网规模能量存储的重要选择，但它面临着寄生水相关反应和有限的工作温度范围的挑战。用强溶剂化共溶剂替代Zn²⁺溶剂鞘中的H₂O分子可以有效地抑制水相关的副反应。然而，过度的Zn²⁺−共溶剂相互作用可能导致脱溶剂化活化能（E_a）增大，共溶剂的分解可能引入非离子导电的固体电解质界面（SEI）物种。

因此，研究者提出了一种采用二乙二醇二甲醚（G2）作为软共溶剂的弱溶剂化电解液。

G2具有适度的Gutmann供体数（19 kcal mol⁻¹）和低介电常数（7.4），这减少了溶剂鞘中水的存在并增强了Zn²⁺−阴离子的相互作用。这种电解液实现了最佳的Ea和在锌阳极上形成了坚固的阴离子衍生SEI（ZnS-ZnSO₃-ZnF₂），允许超过7500小时的高度可逆的锌沉积/剥离。

强G2−H₂O相互作用使G2能够结合自由H₂O并重构氢键网络，这防止了水的分解并拓宽了电解液的工作温度范围（−60°C至60°C）。Zn//KV₁₂O_30−y·nH₂O（KVOH）全电池在室温下5.0 A g⁻¹的8000个循环后提供了91.2%的高容量保持率。

它还在−45°C的4000个循环（0.1 A g⁻¹）和60°C的1200个循环（5.0 A g⁻¹）分别实现了82.9%和86.5%的容量保持率。这项工作优化了AZIBs的界面化学和温度适应性，为设计实际应用的弱溶剂化水系电解液提供了指导。

图文导读

图1：在稀水系电解液、强溶剂化电解液和弱溶剂化电解液中，锌离子的溶剂化结构和电化学过程。

图2：通过FTIR、拉曼和核磁共振（NMR）光谱技术，展示随着G2体积比增加，电解液的溶剂化结构的变化。

图3：不同温度下电解液的结构演变，以及60%G2电解液在-60°C下保持液态的能力。

图4：不同电解液中锌离子的沉积/剥离行为。

图5：通过扫描电子显微镜（SEM）和激光共聚焦显微镜，展示了不同电解液中循环锌阳极的表面形貌变化。

图6：在不同温度下，使用60%G2电解液的Zn//KVOH电池的电化学性能。

总结展望

本文通过设计一种新型的弱溶剂化水系混合电解液，显著提高了AZIBs的电化学性能和温度适应性。通过精确控制电解液中的相互作用，实现了锌离子的高度可逆沉积/剥离，有效抑制了锌枝晶的生长和副反应。

此外，电解液的非易燃性和在宽温度范围内的稳定性，使其在电网规模能量存储应用中具有潜在的应用前景。这项工作不仅为AZIBs的实际应用提供了有价值的见解，也为未来电解液设计提供了新的方向。

文献信息

标题：Weakly solvating aqueous-based electrolyte facilitated by a soft co-solvent for extreme temperature operations of zinc-ion batteries

期刊：Energy & Environmental Science

DOI：10.1039/D4EE00942H

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