秦家千，张新宇，黄云辉教授 Nano Energy观点：通过用无机胶体电解质固定游离水分子来调节溶剂结构以稳定锌阳极- 大数跨境

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秦家千，张新宇，黄云辉教授 Nano Energy观点：通过用无机胶体电解质固定游离水分子来调节溶剂结构以稳定锌阳极

科学材料站

2021-12-20

导读：在这项工作中，一种由硅酸镁锂和硫酸锌组成的无机胶体电解质被用来改善锌离子的沉积行为并优化锌离子的溶剂化机构，以实现可逆锌负极。

文章信息

通过用无机胶体电解质固定游离水分子来调节溶剂结构以稳定锌阳极

第一作者：曹金

通讯作者：秦家千*，张新宇*，黄云辉*

单位：泰国朱拉隆功大学，燕山大学，华中科技大学

研究背景

水系锌离子电池（ZIBs）由于其高安全性和低成本的优势近年来得到了广泛关注。但是，水系锌离子电池的发展仍然受到阳极表面的枝晶和副产物的限制，其中锌枝晶主要由于不均匀的沉积导致，副反应等问题主要源自于Zn2+溶剂化层的活性水分子的分解。

文章简介

基于此，朱拉隆功大学秦家千研究员联合燕山大学张新宇教授和华中科技大学黄云辉教授在《Nano Energy》期刊上发表了题为“Regulating Solvation Structure to Stabilize Zinc Anode by Fastening the Free Water Molecules with an Inorganic Colloidal Electrolyte”的文章（DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106839）。

在这项工作中，一种由硅酸镁锂和硫酸锌 (LMS+ZSO) 组成的无机胶体电解质被用来改善锌离子的沉积行为并优化锌离子的溶剂化机构，以实现可逆锌负极。实验和理论计算结果表明硅酸镁锂（LMS）对水分子表现出优越的吸附性能，能够将游离水分子转化为自身吸附水，以此调节锌离子的溶剂化结构，从而抑制腐蚀、析氢反应和副产物等反应。这种无机胶体电解质显着提高了对称电池和全电池的循环稳定性，为开发长寿命ZIBs提供了指导。

本文要点

要点一：使用LMS+ZSO电解质的锌阳极表现出更光滑平整的沉积形貌

图 1 Zn²⁺在(a) ZSO 电解液和 (c) 1% LMS+ZSO 电解液中的沉积行为。(b) ZSO 电解质和 (d) 1% LMS+ZSO 电解质中循环后的锌阳极表面粗糙程度。（e）（f）在ZSO电解质中循环后的锌阳极的SEM图。（g）（h）在1% LMS+ZSO电解质中循环后的锌阳极的SEM图。（i）（j）在ZSO电解质中循环后的锌阳极的原位观察。（k）（l）在1% LMS+ZSO电解质中循环后的锌阳极的原位观察

要点二：实验和理论计算结果表明LMS能够调节锌离子的溶剂化结构

图2 (a) LMS 的结构。(b) LMS+ZSO 和 ZSO 电解质的光学图像。(c) LMS+ZSO 和 ZSO 电解质的离子电导率。(d) (e) FTIR 光谱，(f) (g) LMS+ZSO 和 ZSO 电解质的拉曼光谱。(h)吸附能。(i) ZSO 和 LMS+ZSO 电解质中 Zn²⁺-O 的 RDF

要点三：使用LMS+ZSO电解质的锌阳极表现出更长的循环寿命，同时抑制了阳极表面的相关副反应

图3 Zn||Zn 对称电池在 1% LMS+ZSO 和 ZSO 电解质中的循环稳定性（a）0.5 mA cm^-2 和（b）2.5 mA cm^-2。(c) Zn||Ti 电池的 CE，(d) 锌负极的 NOP，(e) 锌负极的 XRD 图，(f) 锌负极的析氢极化曲线，(g)锌负极的线性极化曲线。(h) Zn||Zn 对称电池在不同温度下的 Nyquist图。(i) LMS+ZSO 和 ZSO 电解质中计算的活化能。(j) ZSO 和 (k) LMS+ZSO 电解质中Zn²⁺离子反应的示意图

要点四：使用LMS+ZSO电解质的全电池和软包电池均表现出优异的电化学性能

图 4 (a) Zn||V2O5电池CV 曲线，(b) GCD 曲线和 (c)循环性能。(d) Zn||V2O5 软包电池的光学图像。(e) GCD 曲线。(f) 由两个串联的软包电池供电的风扇

文章链接

Regulating solvation structure to stabilize zinc anode by fastening the free water molecules with an inorganic colloidal electrolyte

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521010880

通讯作者简介

秦家千博士研究员博导

泰国朱拉隆功大学研究员，博士生导师，长期从事新材料的制备与应用的研究工作，已在国际一流刊物上发表论文100余篇，申请专利30余项，已获授权专利15项。目前担任Advanced Powder Materials, Scientific Reports和Journal of Metals, Materials and Minerals编委。秦家千博士领导的能源转换与储存实验室隶属于朱拉隆功大学冶金与材料科学研究所，是研究所主要研究组之一。目前，本实验成员由教授，博士后，在读博/硕士及本科生组成。主要从事储能材料及新型电池技术的研究与开发。实验室目前得到泰国能源部，泰国国家研究基金理事会(National Research Council of Thailand), 泰国国家科学与技术发展局(National Science and Technology Development Agency)，朱拉隆功大学的energy storage cluster, Research Unit of Advanced Materials for Energy Storage, Center of Excellence in Smart Wearable Devices等项目支持，已具有先进电池实验所需所有设备。

本实验室有1-3名朱拉隆功大学C2F奖学金支持的博士后和博士生名额，欢迎咨询:jiaqian.q@chula.ac.th。实验室网址：http://jiaqianqin.com