香港城市大学支春义教授，AEM研究论文：电催化硒氧化还原促进高负载量、高利用率、高电化学反应过程动力学锌硒电池

电催化硒氧化还原促进高负载量、高利用率、高电化学反应过程动力学锌硒电池

第一作者：马龙涛

通讯作者：李洪飞*，黄海涛*，支春义*

单位：西北工业大学，香港城市大学

探索高能量密度、优异的倍率性能和长寿命电池是电化学储能研究的热点。 一方面，为了器件的能量密度，电极材料具有高比容量是必不可少的。与离子插入型材料相比，硫、硒和氧/空气阴极具有提供基于转化化学的两到五倍容量的潜力。然而，与 Zn 金属阳极相结合，Zn||S 电池可提供非常低的输出电压（低于 0.6 V）。Zn||O₂（空气）电池系统的循环性能较差。基于 Se⁴⁺/Se^2- 转换反应的硒（Se）正极材料具有 678 mAh·g^-1 的高理论重量容量。

另一方面，大多数报道的高性能正极材料是基于超低质量负载（通常小于 1 mg· cm^-2）进行评估。相比之下，为了实现高面积容量，电极的高质量负载（超过10mg· cm^–2）是必不可少的。然而，高质量负载通常会导致电化学动力学缓慢和活性材料利用率低，特别是对于 Se 等转化型材料。

基于此，香港城市大学支春义教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Electrocatalytic Selenium Redox Reaction for High-Mass-Loading Zinc-Selenium Batteries with Improved Kinetics and Selenium Utilization”的研究论文。

该论文提出了一种电催化硒还原/氧化反应策略，以实现具有快速动力学和高硒利用率的高硒负载锌硒电池。具体来说，普鲁士蓝主体通道结构内的Cu和Co过渡金属的协同作用可以在循环过程中有效地固定和催化转化Se反应，从而促进Se的利用和6电子（Se⁴⁺ ↔ Se^2-）的转化动力学。特别是，Cu[Co(CN)₆] 主体对 Se 的还原表现出非常低的能垒 (1.63 kJ·mol^-1) 和低 Tafel 斜率 (95.23 mV·dec^-1)，以及对 Se 氧化的最高电流响应。

因此，采用 Se-in-Cu[Co(CN)₆] 正极的 锌电池在 0.2 A·g^-1 时的容量为 664.7 mAh·g^-1。循环寿命超过 6000 次，容量保持率达 90.6%。此外，具有高硒负载量（≈12.3 mg_(Se)·cm^-2）的 Ah 级（≈1350 mAh）Zn||Se 软包电池显示出 83.3 % 的高硒利用率和  400 次循环后容量保持率达 89.4 % 环稳定性。

Longtao Ma, Yiran Ying, Shengmei Chen, Ze Chen, Hongfei Li*, Haitao Huang*, Lingzhi Zhao, Chunyi Zhi*，Electrocatalytic Selenium Redox Reaction for High-Mass-Loading Zinc-Selenium Batteries with Improved Kinetics and Selenium Utilization

https://doi.org/10.1002/aenm.202201322