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科学研究
能源胶体与界面化学团队Advanced Energy Materials研究论文:潜溶剂助力高性能水系锌离子电池
2024年05月14日 15:21   点击:

在制药领域,通常根据对特定溶质溶解性的不同,将溶剂分为三类:活性溶剂、非溶剂和潜溶剂。对于任意给定的溶质,它易溶于活性溶剂中,而难溶于非溶剂。潜溶剂本身不能溶解溶质,但在有活性溶剂存在的情况下可以被激活进而溶解溶质。基于不同溶剂对溶质分子不同结构表现出特定亲和性的原理,这种潜溶剂活化过程可使溶质的溶解度显著提高,远大于在每种溶剂中的溶解度之和。因此,潜溶剂的特殊性质或许可为高浓电解液的构建和电解液微观结构的调控提供一种新的策略。

水系锌电池具有低成本、高安全性、环境友好等特点,然而,锌金属在水系电解液中面临枝晶生长和析氢副反应等问题。近期研究发现,通过在电解液内部构建含有阴离子的溶剂化结构有助于形成阴离子衍生的固体电解质层,从而有效抑制副反应的发生和枝晶生长。然而,由于常规锌盐在水中的溶解度相对较低,阴离子难以进入锌离子的溶剂化层。

图1 论文发表截图

基于以上背景,海南大学高新培教授和宁德时代21C实验室欧阳楚英教授合作提出了引入潜溶剂来构建含阴离子的溶剂化结构的策略,以提高水系锌电池中锌负极的稳定性。通过理论计算辅助,在多种溶剂中筛选到了六氟异丙醇(HFIP)作为调控电解液微观结构的理想潜溶剂。HFIP具有亲阴离子和疏阳离子的特性,当HFIP与Zn(TFSI)2、H2O构筑三组分电解液时,Zn(TFSI)2盐就具有了典型的双亲性特点,Zn2+阳离子亲水而TFSI阴离子亲HFIP。在该双亲性特点的作用下,Zn(TFSI)2盐在水中的溶解度由5.4 M增加至20.6 M。盐浓度的提升使得阴离子进入锌离子溶剂化结构成为可能,并诱导其在循环过程中优先分解,在锌负极表面形成了阴离子衍生的固体电解质层。此外,阴离子与阳离子的直接相互作用还改变了锌离子的脱溶剂化路径,实现了还原过程的逐步脱水,这极大的减少了锌负极对水的吸附,进一步抑制了副反应的发生。因此,阴离子衍生的固体电解质层和优化的脱溶剂化路径协同作用,实现了锌的均匀沉积,并提高了电极的循环可逆性。当与NaV3O8-1.5H2O(NVO)正极结合使用时,所组装的全电池在1 A g-1的条件下经过2000次循环后可达到87.8%的高容量保持率,证明了潜溶剂策略在电解液优化方面的潜力。该成果以“Latent Solvent Induced Reliable Interfacial Chemistry Toward Highly Reversible Zn Anodes”为题在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表。

图2 潜溶剂电解液溶剂化结构分析

上述工作得到了国家自然科学基金(22102090,22362014,22262011,22272090),以及海南大学科研启动基金(KYQD(ZR)-21127,KYQD(ZR)-22047)的资金资助。

文章链接:http://doi.org/10.1002/aenm.202400548

撰稿人:高新培

审核人:潘福生

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