江苏理工学院鲍克燕/毛武涛&山东大学熊胜林教授 AEM：多功能冠醚电解液添加剂助力快速去溶剂化过程以实现高可逆水系锌离子电池- 大数跨境

首页

江苏理工学院鲍克燕/毛武涛&山东大学熊胜林教授 AEM：多功能冠醚电解液添加剂助力快速去溶剂化过程以实现高可逆水系锌离子电池

科学材料站

2025-01-14

导读：江苏理工学院鲍克燕/毛武涛&山东大学熊胜林教授 AEM：多功能冠醚电解液添加剂助力快速去溶剂化过程以实现高可逆水系锌离子电池

科学材料站

文章信息

多功能冠醚添加剂调节脱溶过程实现高可逆锌金属电池

第一作者：吴澳华/张少杰

通讯作者：鲍克燕，毛武涛，熊胜林

单位：江苏理工学院，山东大学

科学材料站

研究背景

水系锌离子电池（AZIBs）作为一个新兴的研究前沿，在科学界引起了极大的关注，这主要是因为它们与传统锂离子电池相比，具有更高的安全性、更低的成本影响和较高的生态可持续性。这些使他们成为下一代储能解决方案的候选方案之一，该解决方案有望满足日益增长的应用需求，同时缓解与传统锂基技术相关的环境和经济问题。尽管前景光明，但AZIBs中的锌负极面临着许多艰巨的挑战，包括不受控制的锌枝晶生长、析氢反应（HER）和钝化。这些副反应不仅损害了负极的循环稳定性和库仑效率，还增加了安全隐患，因此需要优化策略来缓解这些问题，并促进AZIBs向实际应用的发展。

科学材料站

文章简介

基于此，来自江苏理工学院的毛武涛副教授/鲍克燕教授与山东大学的熊胜林教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Multifunctional Crown Ether Additive Regulates Desolvation Process to Achieve Highly Reversible Zinc-Metal Batteries”的研究文章。

该工作通过在2 M ZnSO₄电解液中添加18-冠-6作为电解液添加剂，具有较高负电荷密度的内环可以形成稳定的阳离子通道，并优先以平铺的方式吸附在锌负极表面。并且有限的离子通道不允许更大的溶剂化结构[Zn(H₂O)₆]²⁺通过。事实上，18-冠-6不仅具有与Zn²⁺络合的能力，而且具有柔性和可弯曲的大环，在脱溶过程中可以发生多种构象。这使得它可以保持与Zn²⁺的键合，并利用空间效应加速溶剂化H₂O分子的顺序去除，防止溶剂分子在锌负极表面积聚，从而减轻溶剂引起的副反应。理论和实验证据表明，含有18-冠-6的电解质增加了锌离子在电解质中的迁移数，加速了溶剂化结构的去溶剂化过程，形成了均匀的有机-无机杂化界面层，从而使AZIBs具有高可逆性和高容量。锌对称电池在1mA cm^-2的电流密度下循环了近1700小时，显示库仑效率显著提高。组装好的Zn||NH₄V₄O₁₀电池继续表现出强大的电化学性能，即使在电流密度为10 A g⁻¹的4000次循环后，容量保持为100.9 mAh g⁻¹。

Scheme1. Schematic illustration of interfacial chemistry on zinc anode in ZnSO₄electrolyte (left) and 0.5 M 18-crown-6 electrolyte (right).

Figure 1. Cycle performance for Zn||Zn symmetric cells using different electrolytes at current density and areal capacity of a) 1 mA cm⁻² and 1 mAh cm⁻², b) 0.1 mAcm⁻² and 1 mAh cm⁻², c)10 mA cm⁻² and 2 mAh cm⁻². d) Comparison of cycle performance with the previously reported studies. e) Coulombic efficiency for Zn||Cu asymmetric cells using different electrolytes, tested at 1 mA cm⁻² and 0.5 mAh cm⁻².

Charge/discharge voltage profiles of asymmetric cells with f) BE and g) 0.5 M 18-crown-6 electrolyte at 1st, 20th and 140th cycle.

Figure 2. a) Cavity diameter and electrostatic potential (ESP) distribution of 18-crown-6. b) Adsorption energy of the different deposition forms of 18-crown-6 on Zn (002) metal surface. c) 1H NMR spectra and d) Raman spectra for BE and 0.5 M 18-crown-6 electrolyte. FT-IR spectra for BE and 0.5 M 18-crown-6 electrolyte. e) v (SO₄²⁻), f) O−H stretching. FT-IR fitting curves for g) BE and h) 0.5 M 18-crown-6 electrolyte. i) LSV curves, j) Tafel curves, and k) contact angle measurement of electrolytes with Zn metal surface for BE and 0.5 M 18-crown-6 electrolyte.

Figure 3. 3D snapshot for a) BE and c) 0.5 M 18-crown-6 obtained from MD simulations. b,d) The radial distribution functions and coordination number were collected from MD simulations in (a, c). e) Desolventization process for different electrolytes. f) Arrhenius curves and activation energies of Zn deposited in BE and 0.5 M 18-crown-6 electrolyte.

Figure 4. SEM images of the Zn anodes after 100 cycles in a) BE and b) 0.5 m 18-crown-6 electrolyte. c) The corresponding XRD patterns of the Zn anodes. d) CVcurves of Zn||Cu asymmetric cells using BE and the 0.5 m 18-crown-6 electrolyte. e) CA analysis of BE and the 0.5 m 18-crown-6 electrolyte. f) The tZn²⁺ in different electrolytes. g,h) DRT transformation is derived from EIS. i) The 3D variation of the strength of TOF-SIMS after 100 cycles of Zn anode in 0.5 M electrolyte. AFM images of cycled Zn surface in j) BE and k) 0.5 m 18-crown-6 electrolyte.

Figure 6. a) CV curves of Zn||NH₄V₄O₁₀cells using 0.5 M 18-crown-6 electrolyte. b) Rate capability of the batteries with different electrolytes from 0.1 to 10.0 A g⁻¹. c) Galvanostatic charge and discharge (GCD) profiles for selected cycles at 0.5 A g⁻¹.Self−discharge curves of d) BE and e) the 0.5 M 18-crown-6 electrolyte systems. f) Long-term cycling performance of Zn||NH₄V₄O₁₀cells at a current density of 10.0 A g⁻¹.

科学材料站

文章链接

Multifunctional Crown Ether Additive Regulates Desolvation Process to Achieve Highly Reversible Zinc-Metal Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202404450

科学材料站

通讯作者简介

毛武涛：江苏理工学院副教授，硕士生导师，常州市高安全动力与储能电池重点实验室主任，常州市电池技术协会理事。研究方向：高安全新能源电池材料与器件。

鲍克燕：江苏理工学院教授，省级杰出创新人才，江苏省高等学校优秀科技创新团队负责人，江苏理工学院资源环境＆清洁能源研究中心主任。研究方向：基于丰产元素的新能源材料与电池器件。主持国家及省部级项目6项，发表高水平论文60余篇，获授权国家发明专利20余件。

熊胜林：山东大学特聘教授，国家级领军人才，自2018年以来连续入选全球高被引科学家。研究方向：介观能源材料化学，一直围绕在介观尺度下如何实现能源材料精准可控合成与组装的关键科学问题开展基础应用研究，尝试用简单的化学原理和合成策略，可控合成新颖的介观尺度复合组装结构材料，将将其应用在锂硫二次电池、碱金属 (锂、钠、钾)二次电池、水系电池等领域。近五年以通讯作者在Acc. Chem. Res., Angew. Chem., Adv. Mater., CCS Chem., Sci. Bull., Nano Lett., Adv. Energy/Funct. Mater., Nano Res., J. Energy Chem.等主流刊物发表论文60余篇。论文总他引25000余次，H指数91。现在主持国家联合基金重点项目、山东省重大基础研究项目等课题。目前担任《中国化学快报》编委和《Journal of Energy Chemistry》执行编委。