杨会颖教授， AEM：重塑锌离子电池电解液溶剂化结构的一种通用策略- 大数跨境

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杨会颖教授， AEM：重塑锌离子电池电解液溶剂化结构的一种通用策略

科学材料站

2022-02-22

导读：该文章通过将含有羰基的极性有机溶剂作为添加剂与ZnSO4水溶液混合，开发了一种通用的低成本策略来调节水合锌阳离子和水的配位环境。

文章信息

重塑锌离子电池电解液溶剂化结构的一种通用策略

第一作者：李天琛

通讯作者：杨会颖*

单位：新加坡科技设计大学

研究背景

对绿色能源和替代品的需求不断增长，迫切需要开发可靠和安全的储能系统。作为潜在的候选者之一，水系锌离子电池（AZIBs）因其低成本、高理论容量（820 mAh g^-1）和本征安全性，受到了广泛的关注。尽管如此，近期的研究表明：Zn²⁺溶剂化鞘层中的水和本体电解质中的反应性的游离水会导致的严重副反应和枝晶生长，从而削弱锌离子电池的优势。

文章简介

基于此，来自新加坡科技设计大学的杨会颖教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“A Universal Additive Strategy to Reshape Electrolyte Solvation Structure toward Reversible Zn Storage”的研究文章。

该文章通过将含有羰基的极性有机溶剂作为添加剂与ZnSO₄水溶液混合，开发了一种通用的低成本策略来调节水合锌阳离子和水的配位环境。

本文要点

含羰基的液体有机物，例如 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP)、N,N-二甲基甲酰胺 (DMF) 和丙酮 (DMK)，是一系列强极性溶剂。这些水溶性添加剂可以作为质子受体与偶极水分子结合，破坏水溶液中原有的水团簇。此外，由于强电负性的羰基氧，它们易于与Zn²⁺阳离子结合。受此启发，本文提出了一种通用策略，通过将含羰基的有机极性溶剂引入 ZnSO₄ 基电解质中来实现 Zn 的可逆循环。

通过包括实验和理论研究在内的综合分析，证明这些有机分子参与了溶剂化的 Zn²⁺ 鞘层并取代了配位的水分子，从而减少了在循环过程中参与阳极界面反应的水分子。同时，H₂O 和 NMP 之间的强相互作用减少了溶剂化鞘外的游离水数量，有助于减轻 ZnSO₄ 水溶液中的自发副反应。

结果显示，在制备的电解液中实现了具有 99.7% 高库伦效率的可逆 Zn 沉积/剥离。此外，组装的 Zn/VS₂全电池表现出出色的循环稳定性 (2000 次循环，在 1 A g^-1 时容量保持率为 99.4%)。即使在高阴极质量负载 (9.5 mg cm^-2) 下也能抑制锌的界面问题。

图1. 含羰基有机添加剂的物理性质和光谱研究.

图2.含有NMP添加剂的ZnSO₄电解质的理论研究.

图3. NMP0 和 NMP5 电解质中锌沉积反应的比较.

图4. NMP 电解质添加剂的机理分析.

图5. 使用 NMP0 和 NMP5 电解质的 Zn/VS₂@SS 全电池的电化学性能.

文章链接

A Universal Additive Strategy to Reshape Electrolyte Solvation Structure toward Reversible Zn Storage

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.202103231

通讯作者简介

杨会颖教授

新加坡科技与设计大学终身副教授，博士生导师。2006年于新加坡南洋理工大学获得博士学位后即获得新加坡政府授予的千禧博士后和李光耀学者奖励资助进行科研教学工作。2010年加入新加坡科技设计大学任教至今，期间于2011年在麻省理工学院机械工程系工作一年。现任英国皇家化学学会会士，美国材料学会、美国工程学会、新加坡物理学会和材料学会会员。她曾荣获多项国际科技奖项，其中2010年获新加坡欧莱雅女性国家科学家奖、2013年获新加坡杰出青年工程成就奖和陈嘉庚青年发明家奖、2014年获美国工程学会杰出青年奖、2018年获新加坡物理学会纳米科技奖。主持多个新加坡和国际重大项目，主张通过功能设计、低维纳米材料的化学掺杂等方式为可持续能源和环境提供各种高效的设备和技术。获授权多项国际专利，并先后在Nature Communications，Energy & Environmental Science， Advanced Materials等国际顶级期刊上发表SCI论文280余篇，他引15143次，H指数68。