汪国秀教授、王春生教授、周栋博士等NC：高能量密度水系多价离子电池的通用构建策略- 大数跨境

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汪国秀教授、王春生教授、周栋博士等NC：高能量密度水系多价离子电池的通用构建策略

科学材料站

2021-05-24

导读：该工作提出了一种构建高能量密度水系多价离子电池的通用策略，即通过使用高盐浓度水凝胶电解质、硫负极和高电压金属氧化物正极，构建兼具高能量密度与安全性的多价金属离子二次电池。

文章信息

高能量密度水系多价离子电池的通用构建策略

通讯作者：周栋*，王春生*，汪国秀*

单位：美国马里兰大学，澳大利亚悉尼科技大学

研究背景

可靠的大规模储能是可再生能源高效利用的前提。作为锂离子电池的低成本替代品，多价离子二次电池是大规模储能的理想技术之一。然而，多价离子电池的研究进展仍不尽人意。

在有机电解液中，多价阳离子在金属氧化物正极内嵌入/脱出的动力学较为缓慢，从而导致较大的极化和较差的循环稳定性。此外，多价金属负极表面会形成富含有机组分的钝化膜。使得多价阳离子难以可逆地在负极上沉积/脱出。

不仅如此，多价金属表面不可控的枝晶生长也会引起极大的安全隐患。因此，亟待开发兼具高能量密度与安全性的新型多价离子电池体系。

文章简介

基于此，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授、周栋博士与美国马里兰大学王春生教授等合作，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“A universal strategy towards high–energy aqueous multivalent–ion batteries”的研究性文章。

该工作提出了一种构建高能量密度水系多价离子电池的通用策略，即通过使用高盐浓度水凝胶电解质、硫负极和高电压金属氧化物正极，构建兼具高能量密度与安全性的多价金属离子二次电池。

以水系钙离子电池为例，作者首先研究了不同浓度的的硝酸钙水溶液和饱和硝酸钙溶的聚乙烯醇(PVA)基水凝胶的电化学稳定性，发现高盐浓度与 PVA 的协同作用能够将电化学稳定窗口扩大到2.6 V。

这一稳定的电化学窗口能够有效支撑硫/碳复合负极与金属氧化物正极的氧化还原反应。通过分子动力学模拟和拉曼光谱发现，高浓度的硝酸钙盐和聚合物链可以固定大量的自由水分子，从而大大降低了水溶剂的活性，提高电解质的电化学稳定性。

通过分子动力学模拟和溶解实验证明，多硫化钙在高盐浓度水凝胶电解质中的溶解很微弱。这使得硫/碳复合负极（S/C）能够在水凝胶电解质中稳定循环。

同时，在高盐浓度水凝胶电解质中，硫/碳复合负极表面会形成富含无机物的SEI膜，从而抑制电解质的分解与多硫化物的溶解。

在正极方面，作者通过原位电化学转化的方法制备了含钙金属氧化物正极（Ca0.4MnO2）。经测试发现，由S/C负极， Ca0.4MnO2正极，及高盐浓度水凝胶电解质构建的水系钙-硫/离子电池具有优越的电化学性能。

在0.1 C倍率下，这种水系电池能够提供86 mAh/g的容量（基于正负极活性物质总质量）。在150圈循环后容量依然可以保持83%。这说明高盐浓度和 PVA 的加入不仅扩大了电化学窗口，还有效地抑制了钙多硫化物的穿梭。

不仅如此，在浸水条件下，破损的水系钙-硫/离子软包电池仍能保持稳定的工作电压，展现出了极佳的安全性能。该策略同样可用于构建高性能的水系镁/铝离子电池，为多价离子二次电池的发展开辟了新的思路。

这一成果近期发表在Nature Communication 上，并被期刊编辑选为能源领域热点文章。文章的第一作者为悉尼科技大学博士生唐啸。

本文链接

Tang, X., Zhou, D., Zhang, B. et al. A universal strategy towards high–energy aqueous multivalent–ion batteries. Nat Commun 12, 2857 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23209-6

通讯作者介绍

汪国秀教授，澳大利亚悉尼科技大学（UTS）杰出教授，清洁能源技术中心（CCET）主任。

材料化学，电化学，能量存储和转换以及电池技术领域专家。目前担任《Electrochemical Energy Review》（Springer-Nature）的副编辑，以及《Scientific Reports》（Nature Publishing Group）和《Energy Storage Materials》（Elsevier）的编委会成员。研究领域包括锂离子电池，锂空气电池，钠离子电池，锂硫电池，超级电容器，储氢材料，燃料电池，2D材料（例如石墨烯和MXene）以及用于制氢的电催化。目前已发表520余篇期刊论文，总被引40000余次，h指数为107。于2018年与2019年被Web of Science / Clarivate Analytics评选为材料科学领域高被引学者，并于2018年被评选为化学领域高被引学者。

王春生教授，美国马里兰大学化工与分子生物工程系终身教授，ACS Applied Energy Materials副主编，陆军实验室-马里兰大学（ARL-UMD）极限电池研究中心主任。

研究方向集中于新型二次电池与燃料电池。在Science、Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications等国际顶级期刊已发表高水平SCI文章230余篇。所发表论文被SCI他引20000次以上，H-index为73。2013年获美国马里兰大学the A. James Clark School of Engineering青年教师杰出研究贡献奖，2015年获马里兰大学创新发明奖。

第一作者介绍

周栋博士，2017年博士毕业于清华大学，师从康飞宇教授。

其后加入澳大利亚悉尼科技大学清洁能源技术中心从事博士后研究，现为日本东京大学理学院项目研究员。研究方向主要为新型二次电池的电解质研究及界面行为分析。目前以第一/通讯作者在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., ACS Energy Lett.等期刊发表论文28篇，总被引2800余次，2020年获得广东省自然科学一等奖。