重庆大学陈伟根/李猛教授：仿生启发的水系锌离子电池负极-电解液界面调控研究- 大数跨境

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重庆大学陈伟根/李猛教授：仿生启发的水系锌离子电池负极-电解液界面调控研究

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2024-07-31

导读：重庆大学陈伟根/李猛教授：仿生启发的水系锌离子电池负极-电解液界面调控研究

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研究背景

水系锌离子电池（AZIBs）因其固有的安全性、高理论容量（820 mA h g⁻¹）、低成本和丰富的资源而被认为是一种有前途的电化学储能技术。但由于副反应和枝晶生长导致的负极-电解质界面（AEI）不稳定性，大大降低了其负极的利用率和可逆性。因此，寻找合适的策略提高锌负极的循环稳定性具有十分重要的意义。

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研究内容

现阶段最简单常见的锌负极策略就是电解质优化。自然界为科学研究提供了丰富的灵感，特别是跨膜运输是细胞内外环境之间交换物质的重要过程。多糖是一种广泛存在于细胞外基质中的生物大分子，其拥有大量的羟基对金属阳离子（Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Al³⁺）具有强烈的亲和力，从而改善细胞环境并提高营养运输效率。因此，受多羟基与Zn²⁺之间强亲和力的启发，从地衣中提取的多糖分子赤藓糖醇（Ert）被作为功能性电解质添加剂加入到ZnSO₄电解质中。Ert添加剂分子具有良好的亲锌性，并通过有序重构氢键网络来调节溶剂化结构，优先吸附在锌负极上，形成动态界面以稳定锌负极。显著提升了锌负极的循环性能和倍率性能，并应用于相关储能器件中。相关研究成果以“Co‐Regulating Solvation Structure and Hydrogen Bond Network via Bio‐Inspired Additive for Highly Reversible Zinc Anode”为题，发表在《Advanced Science》上。本文第一作者为重庆大学博士生张思达和西安建筑科技大学苟倩志博士，该工作得到了重庆大学-新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室合作指导以及重庆大学国家储能技术产教融合创新平台的大力支持。

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研究亮点

三位一体的仿生协同调控策略：Ert分子可以有效地重塑溶剂化结构，调节水系电解液氢键网络以及形成动态保护层，协同调控锌负极热力学稳定性和动力学性能。

提升锌沉积剥离可逆性：Ert添加剂引入后，可以有效抑制枝晶生长和不良寄生反应，从而提升负极可逆性。在2 mA cm⁻²电流密度下，实现超过99.7%平均库伦效率并且稳定循环。

实用化软包电池设计：基于高正极MnO₂负载量(4.0 mg cm⁻²)和低NP比（3.1）条件下，软包电池实现了长达1000次循环寿命，比容量仍然高达108.2 mA h g^-1。

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研究内容

溶剂化结构调控和浓度筛选

a) 地衣中提取出的Ert分子的结构图。b) 含ZSO和Ert电解液的1H NMR谱。c) 含ZSO和Ert电解液的拉曼光谱。d) MD模拟得到的含Ert电解液体系的三维快照(为清晰起见，模拟盒中的Ert分子用绿色标记)和[Ert- Zn (H₂O)₅]²⁺溶剂化结构的部分放大图。e) 含Ert电解质中Zn²⁺-O (H₂O)和Zn²⁺-O (Ert)对的径向分布函数和配位数。f) 不同物质(Zn²⁺，Ert和H2O)之间的结合能。g) 静电势(ESP)分布。h) 含ZSO和Ert的电解液离子电导率。i) 含ZSO和Ert的电解液的LSV曲线。

锌负极在不同电解质中的稳定性和可逆性研究

ZSO和Ert-75电解液的电化学性能。a,b) 1.0 mA cm^-2、1.0 mA h cm^-2下Zn||Zn对称电池的恒流充放电循环。c) 在5.0 mA cm^-2、2.0 mA h cm^-2条件下Zn||Zn对称电池的GCD循环。d) 不同密度下的速率性能和e) 滞回电压。f) Zn||Cu半电池库伦效率测试。g) 不同电流密度下的累计沉积量。

沉积行为调控机理示意图

a) ZSO和Ert-75电解液中锌负极在-150 mV时的CA曲线。b) 10mV s^-1下Zn²⁺在Ti箔上成核的CV曲线。c) 基于Zn||Zn对称电池的ZSO和Ert-75电解液的成核过电位。d)在ZSO和Ert-75电解质中使用Zn||Zn对称电池，通过Nyquist图获得的阿伦尼乌斯活化能。e) [Zn(H₂O)₆] ²⁺和[Ert-Zn(H₂O)₅]²⁺分步脱溶剂过程的解溶剂能计算。f) 不添加Ert和添加Ert的电解液中的成核和生长机理示意图。

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文献信息

Sida Zhang#, Qianzhi Gou#, Weigen Chen*, Haoran Luo, Ruduan Yuan, Kaixin Wang, Kaida Hu, Ziyi Wang, Changding Wang, Ruiqi Liu, Zhixian Zhang, Yu Lei, Yujie Zheng, Lei Wang, Fu Wan, Baoyu Li* and Meng Li*. Co-Regulating Solvation Structure and Hydrogen Bond Network via Bio-Inspired Additive for Highly Reversible Zinc Anode. Advanced Science, 2024,

DOI: 10.1002/advs.202404968

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202404968

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团队介绍

陈伟根，重庆大学电气工程学院教授、博士生导师；教育部特聘长江学者教授、国家科技创新领军人才、国家基础加强重点项目负责人、国家百千万人才工程国家有突出贡献的中青年专家、国家信息产业科技创新先进生产工作者，享受国务院政府特殊津贴专家，国家级一流本科课程负责人；国际大电网CIGRI国家委员会B3专委会委员、中国电机工程学会重庆市高电压技术专委会主任委员、中国电机工程学会智能感知专委会委员、中国水电工程学会自动化专委会委员。面向特高压智能电网，持续开展能源电力装备智能化与安全防护等方向基础理论及应用关键技术研究，是国内能源领域率先开展该相关工作的研究者之一。主持国防科技基础加强项目、国家重大科技专项、国家自然科学基金重点项目、产学研合作成果转化重大项目等30余项；获国家科技进步二等奖1项，牵头获国家信息产业重大技术发明1项、教育部技术发明一等奖1项、产学研创新成果一等奖1项，其他省部级科技进步奖6项；授权国家发明专利40余项；由科学出版社出版专著3部，在国内外期刊和国际学术会议上发表论文300多篇，SCI、EI收录150多篇。

李猛，重庆市巴渝青年学者、高层次人才，重庆大学教授、博士生导师。2015年博士毕业于新加坡国立大学（NUS）材料系，研究方向为仿生界面的能质转换与传递。主持国家自然科学基金项目2项、XXX预研项目子课题1项，重庆市级课题5项，已经在国内外SCI学术期刊上发表论文一百余篇，以第一或通讯作者发表 SCI 论文 44篇（包括中科院TOP 期刊论文37篇、中科院一区论文30篇，国产领军期刊论文2篇）。相关研究成果授权或公开发明专利8项。论文被SCI期刊引用五千余次，H因子为43。担任SCI 期刊Chinese Chemical Letters、Journal of Bionic Engineering 、Nano Materials Science等期刊青年编委。作为联合发起人创办并组织连续排届International Conference on Frontier Technology Innovation国际会议5次，受邀在国际仿生工程学会青年委员会2023/2021学术年会、中国材料大会2024/2023仿生/界面蒸发/超材料等分会、iCAN-X2022、中国工程热物理学会传热传质学术会议2024/2022、西部材料大会等国内外重要学术会议做学术报告30余次。