Ivan Parkin教授/何冠杰博士课题组ACS AMI：锌离子电池的自然稳定正极材料的生物质水凝胶电解质的研究- 大数跨境

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Ivan Parkin教授/何冠杰博士课题组ACS AMI：锌离子电池的自然稳定正极材料的生物质水凝胶电解质的研究

科学材料站

2021-01-09

导读：该工作通过研究对比海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶电解质（SA-PAM）和水系电解液的电化学性，揭示了自身具有正极稳定性质的生物质水凝胶，促进的柔性锌离子电池的产业化道路。

文章信息

锌离子电池的自然稳定正极材料的生物质水凝胶电解质的研究

第一作者：东淏博

通讯作者：何冠杰*，Ivan P. Parkin*

单位：伦敦大学学院，林肯大学

研究背景

水性锌离子电池（AZIBs）具有高能量密度和高性价比的特性，因此有潜力在电网规模的储能系统中使用。但是正极材料的溶解和预嵌入金属离子的脱出限制了AZIBs的稳定性。

因此何冠杰课题组设计了基于天然生物质聚合物海藻酸钠作为电解质与Na+预嵌入的δ-Na0.65Mn2O4·1.31H2O正极稳定锌离子电池。水凝胶电解液对锌负极的影响有着较多的研究，但是对于正极材料的影响却很少有人提及。水凝胶天然存在的游离Na+防止了正极材料中Na+的脱出提高了稳定性。

制成的电池在0.1 A g-1时可提供305 mA h g-1的高容量，比使用水性电解质的ZIB高10％。此外，该聚合物电解质在2 A g-1的1000次循环中具有出色的库仑效率（99％以上）和96％的容量保持率。

文章简介

近日，伦敦大学学院（UCL）Ivan Parkin教授和何冠杰博士课题组在国际订刊ACS Advanced Materials & Interfaces 上发表题为 “Investigation of a Biomass Hydrogel Electrolyte Naturally Stabilizing Cathodes for Zinc-Ion Batteries”的研究工作。

本文通过对海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶电解质（SA-PAM）和水基电解质的电化学性能的研究和比较，揭示了其具有正极稳定性质的生物质水凝胶，促进了柔性锌离子电池的产业化道路。由于对正极预嵌入金属阳离子的稳定作用，该电解质比水基电解质具有更高的容量保持率。1000次循环的容量保持率为96%，比水基电解液的容量保持率高4%。非原位XRD和SEM-EDX表征进一步证实了电解质中的离子转移机理。

该文章第一作者为伦敦大学学院的博士生东淏博，Ivan Parkin教授和何冠杰博士为本文共同通讯作者。

本文要点

要点一：SA-PAM的电化学表现

图1. SA-PAM电解质在全电池测试结果（a）CV曲线扫描速率范围从0.1 mV s-1到1 mV s-1；（b）CV曲线中log（i）vs log（v；（c）扩散电容控制贡献；（d）电流密度为0.1至5 A g-1的充放电倍率性能；（e）在不同电流密度下，SA-PAM-NMO全电池的恒电流充放电曲线；（f）在2 A g-1的电流密度下的长期循环稳定性。插入图是前50个循环的活活过程。

图1显示，随着电流密度的增加，全电池中的水凝胶电解质主要由电容控制。与水基锌离子电池类似，其最大容量可达到305 mA h g−1（0.1 A g−1）。而水基电解质锌离子电池只有277 mA h g−1。在CV和CD的性能上，该电解液具有与水基锌离子电池相似的充放电平台，用于H+和Zn2+的插层。在长循环充放电比较中，由于天然游离钠离子的存在，SA-PAM电解液具有更高的容量保持率，在电流密度为2 A g-1时，1000次循环时容量保持率为96%。而单一海藻酸水凝胶和水系电解质分别仅有70.1%和92%。

为了研究电解液中的Na+是否能提高稳定性。研究小组发现，在水基电解液中加入0.2M Na2SO4，全电池总容量保持率达到95.2%。因此，SA-PAM中天然存在的游离Na+对该正极材料具有补足预嵌入离子和抑制溶解的作用。非原位SEM-EDX能谱分析结果还揭示了Zn2+和Na+在正极和电解质中的迁移方向。

图2. Zn//Zn对称电池在0.5 mA cm-2的电流密度和1200s的循环充电时间下的镀锌/剥离性能。

此外，图2还揭示了SA-PAM在对称电池测试中的稳定性。在电流密度为0.5 mA cm-2 ，恒流充放电时间为1200秒的条件下，SA-PAM稳定工作250小时，而水基电解液稳定工作130小时。

要点二：柔性器械测试

图3. 柔性器件测试。（a）柔性装置的示意图；（b）在1 A g-1的电流密度下，柔性器件的恒电流充放电结果。内部图显示了由串联连接的设备供电的LED板；（c）柔性设备的开路电势；（d）装置的尺寸；（e）柔性设备为温湿度计供电的设备的初始状态；（f）弯曲形态的供电；（g）扭转力下的供电；（h）剪切后对温湿度计的供电。

如图3结构所示，柔性设备为三明治结构。在真空辅助液体传递模塑工艺下，得到的器件长度约为7cm，适用于便携式电子器件。通过串联两个设备，该设备可以为发光二极管（LED）显示面板供电（图3b）。如图3c所示，柔性ZIB的1.39 V开路电势与纽扣电池组件的开路电势相同，这支持将此方法作为一种合适的制造策略。

为了证明设备的物理稳定性，将柔性ZIB连接到数字温湿度计后，对柔性设备进行了弯曲，扭曲和切割（图3f-h），其为电表供电的能力不受影响。为了进一步评估该设备的电化学性能（图3b），在1 A g-1的电流密度下，器件演示获得了160 mA h g-1的出乎意料的高比电容，这与从纽扣电池测试获得的电容一致。拉伸试验也表明水凝胶电解质具有极好的拉伸性。

在此工作中，通过将层状δ-Na0.65Mn2O4·1.31H2O和SA-PAM组合在一起，制得了对正极稳定的水凝胶锌离子电池。原始的可生物降解藻酸盐电解质SA的比容量为258 mA hg-1，而复合水凝胶电解质SA-PAM进一步增强了电化学稳定性和机械性能，提供了优异的比容量和305 mAh g-1的离子电导率，分别为2.92×10-2 Scm-1。

使用XRD，XPS和EDS进行的异位测试精确地研究了水凝胶ZIB的电化学反应。在正极材料上观察到的Zn2+和Na+的可逆夹层表明，水凝胶电解质中离解的Na+可以减轻活性材料晶体结构的塌陷，从而提供出色的比容量。所制造的柔性器件在1 A g-1下还具有160 mA h g-1的比容量，以及出色的机械性能，能够抵抗粘合，扭曲和切割。

文章链接

Investigation of a Biomass Hydrogel Electrolyte Naturally Stabilizing Cathodes for Zinc-Ion Batteries

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c20388?