谢健副教授、朱铁军教授、赵新兵教授，ESM新作：使用低浓度水/乙醇混合电解液的低成本和长寿命锌/普鲁士蓝电池- 大数跨境

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谢健副教授、朱铁军教授、赵新兵教授，ESM新作：使用低浓度水/乙醇混合电解液的低成本和长寿命锌/普鲁士蓝电池

科学材料站

2022-03-29

导读：本文中设计了一种低成本的丹尼尔型钠锌离子混合电池(Na/Zn电池)。

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文章信息

使用低浓度水/乙醇混合电解液的低成本和长寿命锌/普鲁士蓝电池

第一作者：孙云坡

通讯作者：谢健*

单位：浙江大学

研究背景

基于资源丰富成本低廉钠离子电池(SIB)和锌离子电池(ZIB)的水系二次电池具有大规模储能的潜力。然而，其中存在着严重的锌枝晶生长和HER析氢反应以及正极材料溶解等问题，限制了其电化学性能。

文章简介

本文中，来自浙江大学的谢健与赵新兵教授团队，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Low-cost and long-life Zn/Prussian blue battery using a water-in-ethanol electrolyte with a normal salt concentration”的文章。

本文中设计了一种低成本的丹尼尔型钠锌离子混合电池(Na/Zn电池)。使用廉价的WEH（water/ethanol hybrid）混合电解液，有效地抑制了Na-MnHCF正极的溶解、HER析氢反应和锌枝晶的生长，提高了长循环稳定性(20000次循环后容量保持率91.6%)。

使用分子动力学模拟、第一性原理计算和原位光学观测解析了WEH电解液中无枝晶锌剥离/沉积原理。组装了可以通过串并联实现了可逆容量和工作电压拓展的Na/Zn软包电池，并进一步设计了基于废弃白酒的低成本电池。

本文要点

要点一：分子动力学模拟和第一性原理计算

通过分子动力学模拟解析了WEH-95%电解液中锌离子的溶剂化鞘结构，进一步通过第一性原理计算研究了锌枝晶的生长模式。在WEH-95%电解液中，锌枝晶的从一维的针状生长模式转变成了更致密的二维片状生长模式。

图1. 在（a）WEH-0%和（b）WEH-95%中的分子动力学模拟，（c）H₂O和C₂H₅OH在锌表面的吸附能（d）锌枝晶在WEH-0%和WEH-95%中的生长模型

要点二：锌剥离/沉积测试以及原位光学观测

通过Zn/Zn电池的测试及其原位光学观测，验证了WEH-95%电解液中更稳定的锌剥离/沉积过程和被强烈抑制的HER析氢反应，Zn/Ti电池的测试结果说明了在WEH-95%电解液中更高的锌剥离/沉积效率。

图2. Zn/Zn电池在WEH-0%和WEH-95%电解液中的（a）循环性能；（b）倍率性能对比；Zn/Zn电池在（c）WEH-0%和（d）WEH-95%电解液中的原位光学照片；Zn/Ti电池在WEH-0%和WEH-95%电解液中的（e）库效和（f）充放电曲线对比

要点三：钠锌混合离子纽扣全电池性能测试

制作了钠锌混合离子纽扣全电池，并进行了倍率以及循环性能测试测试。在WEH-95%电解液中倍率性能以及循环稳定性得到了大幅度提升，20C大倍率下容量没有明显衰减，可以稳定循环20000次，每次循环衰减0.000415%。

图3.（a）WEH-0%、（b）WEH-95%和（c）WEH-100%电解液中的充放电曲线以及（d）在WEH电解液中的循环性能对比

要点四：软包装电池性能测试

组装了钠锌混合离子软包电池，并置于WEH-95%电解液中进行测试，该电池可以通过串并联实现可逆容量和工作电压成倍拓展，并表现出了良好的循环稳定性。进一步设计了基于废弃白酒电解液的、廉价钠锌混合离子电池。

图4.在WEH-95%电解液中（a）单个电池（b）两个并联电池（c）两个串联电池（d）三个并联电池（e）三个串联电池的充放电曲线，（f）三个串联电池的循环性能，（g）WEH-95%电池的点灯实验，（h）白酒电池的示意图和点灯实验。

文章链接

Low-cost and long-life Zn/Prussian blue battery using a water-in-ethanol electrolyte with a normal salt concentration

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S240582972200160X

通讯作者简介

谢健副教授浙江大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师。谢健的研究领域包括石墨烯基能源材料、金属空气电池、固态锂电池、新型钠离子储能电池等。

以第一或通讯作者在Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Sci., ACS Catal., Energy Storage Mater., Nano Energy, J. Mater. Chem. A等期刊上发表SCI论文100多篇，论文他引5000多次，H因子41。目前，谢健研究团队致力于普鲁士蓝基钠离子电池的基础和应用研究，探索该材料的规模化制备工艺和软包电池的制作工艺。

第一作者简介

孙云坡，博士生。2017年进入浙江大学材料学院赵新兵教授课题组。他的研究工作主要是钠离子电池普鲁士蓝正极材料。

课题组介绍

浙江大学材料学院赵新兵教授课题组谢健研究团队多来年从事新能源材料方向的研究，近年主要研究方向涉及钠离子电池、固态锂电池、硅碳负极等领域。

研究团队注重基础研究和应用开发相结合，目前已开发出关键材料的宏量制备工艺，并和相关企业展开合作，正往中试和产业化方向推进。课题组联系方式：xiejian1977@zju.edu.cn。