邵宗平教授AEM：用于实现高性能复合锌基电池的功能分离电极设计- 大数跨境

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邵宗平教授AEM：用于实现高性能复合锌基电池的功能分离电极设计

科学材料站

2020-11-09

导读：该工作设计了一种具备电池功能分离特性的MnS-NixCo1-xS2电极。该设计具有双层非对称亲/疏水特性及非对称组分分布，不仅能有效化解传统单层正极中不同电池功能对亲/疏水性需求的矛盾

文章信息

用于实现高性能复合锌基电池的功能分离电极设计

第一作者：钟逸骏

通讯作者：邵宗平*

单位：南京工业大学、Curtin大学

研究背景

利用可再生能源（如太阳能、风能、潮汐能等）产生电能是一种绿色环保并且可持续的发电方式。然而，由于这些可再生能源的供给会随着时间、季节及其他环境因素的影响而波动，因此开发可靠的电化学储能系统对于实现此类电能的稳定供应具有重要意义。

基于碱性水系电解液的锌-空气电池具有能量密度高、成本低、安全可靠等优点。然而，可充电锌-空气电池的能量效率及大电流充放电能力与其他高性能电池相比仍显不足。在可充电锌-空气电池中引入碱性锌-过渡金属化合物电池（如锌-钴电池、锌-镍电池等）功能，组成复合锌基电池可以有效地弥补可充电锌-空气电池的不足。

文章简介

近日，南京工业大学、Curtin大学邵宗平教授团队在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“A Function-Separated Design of Electrode for Realizing High-Performance Hybrid Zinc Battery”的研究工作。

该工作设计了一种具备电池功能分离特性的MnS-NixCo1-xS2电极。该设计具有双层非对称亲/疏水特性及非对称组分分布，不仅能有效化解传统单层正极中不同电池功能对亲/疏水性需求的矛盾，并且通过对不同功能层组分的精细调控最终实现了复合电池性能的有效提升。

图1. 用于实现功能分离的复合锌基电池电极设计及其与传统单层电极相比的优势。

本文要点

要点一：复合锌基电池正极不同电池功能对亲/疏水性需求的矛盾

基于碱性水系电解液的复合锌基电池，正极上主要发生对应于两种不同电池功能的两种类型的氧化还原反应：

1. 过渡金属催化剂催化的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER），

2. 过渡金属活性物质自身的氧化还原反应。复合锌基电池的性能不仅取决于正极材料的活性，也很大程度上受正极物质（气体、离子）传输情况的影响。

此前的复合锌基电池研究往往着眼于开发多功能正极材料而忽视了对于物质传输的优化。实际上，复合锌基电池中两种电池功能对正极亲/疏水性的要求存在显著差异。

比如，锌-空气电池正极需要较高的疏水性以构建良好的气体及离子传输通道，而锌-过渡金属化合物电池正极则需要较高的亲水性以保证良好的电解液浸润。传统的单层电极结构只能采取一种亲/疏水状态，这意味着对一种电池性能的提升往往需要以另一种电池性能的降低为代价（图1上）。

要点二：功能分离电极设计：非对称亲/疏水特性

基于上述分析，该工作提出了一种具备功能分离特性的双层电极结构（图1下），其中面向空气一侧为疏水层（负载高效氧催化剂），为锌-空气电池功能提供良好的气体及离子扩散通道，面向电解液一侧为亲水层（负载过渡金属储能电池活性物质），为锌-过渡金属化合物电池功能提供良好的电解液浸润。上述非对称亲/疏水双层结构由对电极组分（Mn化合物、Ni-Co化合物、疏水PTFE）分布的设计而实现。

要点三：功能分离电极设计：非对称组分分布及精细调控

作者首先构筑了MnO2-CNT-PTFE疏水基膜，然后通过电化学沉积在疏水基膜上负载NiCo-LDH得到双层电极。由于基膜的疏水特性，大部分NiCo-LDH被负载在基膜表面，仅有少量的NiCo-LDH被负载在基膜内部。

为了进一步提升正极材料的电子导电性，作者进一步对双层电极进行硫化处理，最终得到了具有非对称亲/疏水特性及非对称组分分布的MnS-NixCo1-xS2功能分离电极，其中亲水层为NixCo1-xS2，疏水层为Ni-Co-S团簇修饰的MnS。

基于旋转圆盘（RDE）体系的电化学分析表明，不同比例的MnS-NixCo1-xS2混合物均显示出优秀的ORR及OER催化活性。用作复合锌基电池的MnS-NixCo1-xS2功能分离电极具有比传统单层MnS-NixCo1-xS2电极具有更低的锌-空气电池充电-放电电压差（ΔV）和更高的能量效率，同时，功能分离电极也具有更高的锌-过渡金属化合物电池比容量。这一结果证实了功能分离电极设计实现了对不同的电池功能性能的同步提升。

文章链接

A Function-Separated Design of Electrode for Realizing High-Performance Hybrid Zinc Battery

https://doi.org/10.1002/aenm.202002992

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[1]X. Wang, J. Sunarso, Q. Lu, Z. Zhou, J. Dai, D. Guan, W. Zhou, Z. Shao, Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903271.

[2]Q. Lu, J. Yu, X. Zou, K. Liao, P. Tan, W. Zhou, M. Ni, Z. Shao, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1904481.

[3]P. Tan, B. Chen, H. Xu, W. Cai, W. He, M. Liu, Z. Shao, M. Ni, Small 2018, 14, 1800225.

[4]P. Tan, B. Chen, H. Xu, H. Zhang, W. Cai, M. Ni, M. Liu, Z. Shao, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2056.

[5]Y. Zhong, X. Xu, W. Wang, Z. Shao, Batteries Supercaps 2019, 2, 272.

[6]J. Yu, R. Ran, Y. Zhong, W. Zhou, M. Ni, Z. Shao, Energy Environ. Mater. 2020, 3, 121.

[7]Q. Lu, Y. Guo, P. Mao, K. Liao, X. Zou, J. Dai, P. Tan, R. Ran, W. Zhou, M. Ni, Z. Shao, Energy Storage Mater. 2020, 32, 20.

[8]Y. Zhong, X. Xu, J.-P. Veder, Z. Shao, iScience 2020, 23, 100943.

[9]Y. Arafat, M. R. Azhar, Y. Zhong, X. Xu, M. O. Tadé, Z. Shao, Nano-Micro Letters 2020, 12, 130.

[10]Q. Lu, X. Zou, K. Liao, R. Ran, W. Zhou, M. Ni, Z. Shao, Carbon Energy 2020, 2, 461.

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