生物親鋅啟發的電解液添加劑促進高性能水系鋅離子電池的構建
時間:2023-01-30 12:02來源:水系儲能 作者:ASEer
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研究背景
水系鋅離子電池因其擁有本征安全和成本低廉等優點，在大規模能源存儲和智能電網等領域展現出良好的應用前景。然而，鋅負極在水系電解液中存在熱力學不穩定，在Zn2+沉積和剝離過程中易產生枝晶和副反應，導致電池短路失效，從而阻礙了器件的實際應用。目前，引入具有親鋅性的電解液添加劑是提升鋅負極穩定性的重要策略之一。但是，大多數的添加劑存在調節功能單一、成本高和環境友好性較差等缺點。因此，尋找具有多功能、價格低廉和綠色環保等優點的親鋅性添加劑至關重要。類似于水系鋅離子電池，Zn2+在真核生物的細胞中也存扮演著不可或缺的角色，其中，由于氨基酸鏈和Zn2+之間存在良好的親和力，而配位形成的鋅指蛋白（ZFP）在基因的表達調控、細胞分化和胚胎發育等生命過程中發揮重要作用。受此啟發，重慶大學-新加坡國立大學聯合實驗室 (CQU-NUS joint lab) 李猛課題組在水系電解液中引入具有生物親鋅性的甘氨酸(Gly)添加劑來提升鋅負極的穩定性。通過實驗表征和理論計算表明，Gly添加劑不僅可以重塑水系電解液中[Zn(H2O)6]2+的溶劑化殼結構，而且還能優先吸附在鋅負極表面，從而抑制負極-電解液界面的副反應，促進 Zn2+的均勻沉積與剝離，在含Gly添加劑的電解液中，鋅負極呈現出良好的循環穩定性和可逆性，組裝成的全電池也展現出良好的應用前景。此工作將仿生設計理念與電解液調控有機的結合起來，為調控負極-電解液界面化學特性，設計高性能水系鋅離子電池提出了新的思路。
近期該研究以“Electrolyte Regulation of Bio-inspired Zincophilic Additive toward High-Performance Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發表在國際知名期刊Small，第一作者為課題組博士研究生茍倩志；此工作受到復旦大學晁棟梁教授課題組、重慶大學李俊教授課題組、重慶大學李凌杰教授課題組的大力支持和幫助。
圖1. 電解液添加劑的仿生啟發思路圖(原文引圖).
圖2. Gly添加劑對[Zn(H2O)6]2+溶劑化殼結構的影響機制(原文引圖).
圖3. Gly添加劑對Zn‖MnO2全電池電化學性能的影響(原文引圖).
研究結論
綜上所述，本工作受到生物細胞內鋅指蛋白中Zn2+與氨基酸鏈具備較強親和力的啟發，并綜合考慮經濟成本與環保因素，在水系電解液中引入良好親鋅性的甘氨酸(Gly)添加劑。實驗表征與理論計算結果表明，Gly添加劑可以部分替換[Zn(H2O)6]2+的配位水分子，改變其溶劑化殼結構，削弱電極-電解液界面的副反應。此外，Gly添加劑還能優先吸附在鋅負極表面，抑制尖端效應，從而促進Zn2+的均勻沉積。基于上述工作機制，在含Gly添加劑的電解液中，組裝的鋅對電池和Zn‖MnO2全電池實現良好的電化學性能。因此，該工作將仿生設計理念與電解液調控有機的結合起來，為構筑高性能水系鋅離子電池提供新的研究思路。
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