山东大学杨剑教授，安徽大学侯之国，Angew.：偶极矩决定凝胶电解质中的优先固定：实现Ah级软包电池的循环- 大数跨境

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山东大学杨剑教授，安徽大学侯之国，Angew.：偶极矩决定凝胶电解质中的优先固定：实现Ah级软包电池的循环

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2024-09-27

导读：山东大学杨剑教授，安徽大学侯之国，Angew.：偶极矩决定凝胶电解质中的优先固定：实现Ah级软包电池的循环

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文章信息

两性离子聚合物偶极矩选择性固定凝胶电解质以实现Ah级水系锌金属电池

第一作者：张少杰

通讯作者：杨剑，侯之国

单位：山东大学，安徽大学

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研究背景

水系锌金属电池（AZMBs）因其材料丰富、生产成本低、安全性高、环境友好等优点，近年来引起了学术界和工业界的广泛关注。然而，它们也存在一些问题，如不可逆的结构转变和正极材料的结构坍塌，锌负极上的枝晶生长和腐蚀反应，以及电解质的电化学稳定窗口有限。因此，人们探索了各种策略来克服这些问题。本工作以两性离子聚合物为主体，在锌负极表面原位形成凝胶电解质。通过比较三种不同结构的两性离子聚合物，从理论和实验揭示了分子结构和电化学性能之间的关系。这些结果不仅有利于先进电解质的合理分子设计，而且显示了两性离子聚合物在AZMBs中的良好潜力。

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文章简介

近日，来自山东大学的杨剑教授与安徽大学的侯之国合作，在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Dipole Moment Dictates the Preferential Immobilization in Gel Electrolytes for Ah-level Aqueous Zinc-Metal Batteries”的研究文章。

该工作通过在锌负极表面原位形成两性离子聚合物被用作凝胶电解质来克服副反应和枝晶生长等问题。通过比较多种不同结构的两性离子聚合物，从理论和实验揭示了分子结构和电化学性能之间的关系。结果表明，阴离子和H₂O优先固定在两性离子聚合物的不同位置，而非传统认识上的阴离子和阳离子，这有利于Zn²⁺的自由迁移，减少了副反应。这种固定可能与两性离子聚合物的偶极矩有关。通过对三种两性离子聚合物的比较，PDMAPS在这些聚合物中表现出最好的电化学性能。使用这种凝胶电解质能够实现连续循环的Ah级电池。这些结果不仅阐明了电解质分子结构与AZMBs电化学性能之间的基本关系，而且表明两性离子聚合物在AZMBs中具有广阔的应用前景。

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本文要点

要点一：在Zn 箔上实现了两性离子聚合物的原位聚合。从傅立叶变换红外光谱、原位EIS和原位拉曼光谱可以看出，原位聚合促进了凝胶电解质与Zn箔之间的亲密接触，降低了电荷转移阻抗。它们之间的强相互作用有利于在循环过程中保持界面稳定。

Figure 1. In-situ polymerization of 3-dimethyl (methacryloyloxyethyl) ammonium propane sulfonate (DMAPS) on the Zn anodes.

要点二：阴离子和H₂O（而不是阴离子和阳离子）优先固定在凝胶聚合物的不同位点上，这有利于Zn²⁺的自由迁移并减少副反应。这种固定作用可能与两性离子聚合物的固有特性--偶极矩有关。

Figure 2 The interaction between zwitterionic polymers and aqueous electrolytes

Figure 3 The relationship between molecule structure and its interaction with the electrolyte

要点三：根据凝胶电解质的选择性固定特质，从多种两性离子聚合物中筛选出PDMAPS。实验证明它在AZMBs中的电化学性能优于其他两性离子聚合物。使用PDMAPS的对称电池具有超长的循环寿命，在0.5 mA cm^-2和0.5 mAh cm^-2的条件下，循环寿命可达约9000小时（约一年）。此外，PDMAPS还能使LiMn₂O₄||Zn的Ah级软包电池实现连续循环125圈。

Figure 4 Electrochemical performance of the half/full cells using different electrolytes.

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文章链接

Dipole Moment Dictates the Preferential Immobilization in Gel Electrolytes for Ah-level Aqueous Zinc-Metal Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202414702

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通讯作者简介

杨剑：教授，山东大学化学与化工学院博士生导师，主要研究领域为电化学储能材料界面化学。课题组先后在Proc. Natl. Acad. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., ACS Nano/Nano Lett., Adv. Energy Mater./Adv. Funct. Mater., 等知名国际刊物上发表多篇学术论文，累计引用次数15000+，H=72（SCOPUS）。多篇论文被Web of Science 网站评选为ESI Highly Cited Papers。获得教育部新世纪人才支计划（2009），国家自然科学奖二等奖（2010），山东大学“齐鲁青年学者”特聘教授（2011），山东省杰出青年基金（2012），山东省泰山学者特聘教授（2015），国务院政府特殊津贴（2018），山东大学杰出中青年学者（2020），爱思唯尔中国高被引学者（2021-23），山东省自然科学二等奖（2023）。

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侯之国：2013年于吉林大学取得高分子材料与工程学士学位，2018年于中国科学技术大学化学专业取得博士学位，师从钱逸泰院士，现任安徽大学化学化工学院讲师，硕士生导师。目前研究方向为二次离子电池器件，特别是水系钠离子、锌离子电池材料，近年以第一作者/通讯作者在Science Advances，Joule，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials等国际知名学术期刊上发表多篇SCI论文，论文引用次数＞3400次，H指数：32。