【能源】低共熔凝胶电解质用于高性能宽温域柔性锌-空气电池- 大数跨境

X-MOL资讯

2024-10-25

导读：新疆大学吴冬玲教授科研团队成功研发出一种由氯化胆碱（ChCl）、乙二醇（EG）和PVA组成的新型低共熔凝胶电解质（CEP），并将其成功应用于高性能FZAB

凝胶聚合物电解质（GPE）因其出色的安全性和离子传导特性，能够有效增强柔性锌-空气电池（FZAB）的稳定性和电化学性能。尽管典型的聚乙烯醇（PVA）水凝胶基GPE已被广泛研究，但其仍然存在保水能力不足、与锌阳极的相容性不佳、在高温下容易挥发以及在低温条件下会冻结等问题，极大地限制了PVA水凝胶基GPE在极端环境下的应用。

基于此，新疆大学吴冬玲教授科研团队成功研发出一种由氯化胆碱（ChCl）、乙二醇（EG）和PVA组成的新型低共熔凝胶电解质（CEP），并将其成功应用于高性能FZAB，为FZAB基新型聚合物电解质的设计与制备提供了新思路。CEP优异的抗冻性能，拓宽了其工作温度。由于胆碱阳离子（Ch⁺）与金属阳极之间存在更强的吸引力，CEP在抑制枝晶生长方面亦发挥着至关重要的作用。

图1. (a-g) 不同凝胶的理化性质及分子动力学模拟。(h-n) 低共熔凝胶与锌阳极的兼容性表征、电化学测试和相互作用能计算。

利用SAXS和SECM技术明确了低共熔凝胶拥有更为致密的聚合物网络结构以及优异的离子传导性能。同时，分子动力学模拟揭示了该凝胶电解质内部存在更多的氢键以及增强的相互作用力。Zeta电位分析和XPS测试结果显示，Ch⁺通过表面静电效应优先吸附于锌电极上，有效调控了离子在电极界面的分布，基于DFT计算进一步确认了Ch⁺对Zn阳极具有更高的热力学亲和性，进而抑制了枝晶的形成。

图2. Ce-CoO阴极催化剂的SEM图像、TEM图像、Mapping图像、原位Raman、同步辐射和小角X射线散射光谱。

此外，该科研团队还成功研制出了一种中空球状Ce-CoO阴极催化剂。通过原位Raman光谱分析，发现催化剂展现出了出色的O₂吸附能力，并且*OH中间体的存在明确了ORR的4e^-转移路径。XANES与WT-EXAFS的测试结果显示，Ce元素的掺杂能够有效调节催化剂的电子结构。同时，SAXS光谱揭示了该催化剂能够暴露出更多的活性位点，从而展现出了优异的ORR性能。

图3. 由CEP电解质和Ce-CoO催化剂组装FZAB的电化学性能。

以低共熔凝胶电解质和阴极催化剂组装的FZAB具有高功率密度、宽温域和出色的循环稳定性。

综上，该工作提出了一种低共熔溶剂改性的PVA基凝胶聚合物电解质。低共熔溶剂的加入增加了氢键数量，增强了氢键强度，并提高了聚合物网络之间的交联程度。Ch⁺能够优先静电吸附在锌阳极表面，从而增加了界面迁移能垒，抑制了枝晶的生长。使用该低共熔凝胶电解质组装的FZAB表现出优异的输出功率密度、较长的循环寿命和宽温域适应性。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Advanced Eutectogel Electrolyte for High-Performance and Wide-Temperature Flexible Zinc-Air Batteries

Yafen Zheng, Dongling Wu,* Tao Wang,* Qian Liu, and Dianzeng Jia*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202418223

导师介绍

吴冬玲教授简介：新疆大学化学学院教授，博士生导师，入选新疆维吾尔自治区天山英才-青年科技创新人才计划。主要从事功能碳材料的基础研究工作，包括新型碳材料的结构设计和功能化改性，新型低共熔电解液的设计制备，及面向能源领域应用的基础研究；煤焦油分级分质利用新途径的探索。先后主持国家自然科学基金项目6项，新疆维吾尔自治区自然科学基金、自治区重点实验室专项等项目十余项，在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A, Small, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Power Sources, ACS Sustain. Chem. Eng.等学术期刊发表研究论文60余篇。曾获高等教育（研究生）国家级教学成果奖二等奖1项（2023），新疆维吾尔自治区自然科学奖一等奖1项（2020），新疆维吾尔自治区科技进步一等奖2项（2016、2011）。

课题组热诚欢迎有热情和ideas的研究生加入！

E-mail: wudl@xju.edu.cn

点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊

【声明】内容源于网络

X-MOL资讯

“X-MOL资讯”隶属于X-MOL学术平台（官网x-mol.com），关注化学、材料、生命科学、医学等领域的学术进展与科研前沿，提供专业与深度的内容。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的新近论文，支持个性化浏览。

内容 19833

粉丝 0

X-MOL资讯 “X-MOL资讯”隶属于X-MOL学术平台（官网x-mol.com），关注化学、材料、生命科学、医学等领域的学术进展与科研前沿，提供专业与深度的内容。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的新近论文，支持个性化浏览。

总阅读1.6k

粉丝0

内容19.8k