《Angew》:具有良好倍率性能和安全性能的鋅/石墨電池!

2021-02-19 材料科學與工程




































































































































































































低成本、長壽命、高功率的二次電池是實現電網規模儲能來利用間歇性可再生能源發電的有效途徑之一。石墨正極具有成本低、環境友好的特性，而鋅負極具有體積能量密度高、儲量豐富、鋅沉積/溶解過電位低等優點，因此，結合鋅負極與石墨正極各自優點的鋅/石墨雙離子電池在電網規模儲能方面具有良好的應用前景。

　　

中國科學院青島生物能源與過程研究所仿生與固態能源系統研究組研究員崔光磊、副研究員趙井文，前期研究基於鋅沉積/溶解的快速動力學和二（三氟甲基磺酸）亞胺陰離子（TFSI-）嵌入/脫出石墨的贗電容行為，構建基於鋅負極和石墨正極的鋅/石墨雙離子電池，該電池可實現200C倍率充放電，功率密度達16.3 kW/kg （J. Power Sources 2020, 457, 227994）。然而，由於陰離子嵌入/脫出石墨的電位較高，導致電解質發生部分氧化分解，限制該電池的庫倫效率和循環壽命。

　　

近日，該研究組利用二價鋅離子易與陰離子形成締合離子對這一特點，在Zn(TFSI)2/EMC（碳酸甲乙酯）電解質中，通過引入具有強供電子能力的磷酸三甲酯（TMP）溶劑將TFSI-陰離子以締合離子對的形式「束縛」在TMP的溶劑化區域中，實現EMC溶劑分子與陰離子的「解耦」分離，降低氧化穩定性較差的EMC-TFSI-的濃度。

電化學測試結果表明，這種陰離子溶劑化結構調控策略可將Zn(TFSI)2/EMC電解質的電化學窗口提高0.45 V，並使鋅/石墨雙離子電池能在2.80 V的高截止電壓下充放電循環1000次（容量保持率達到92%）。此外，加入TMP後的Zn(TFSI)2/EMC電解質仍保持較高的離子電導率，並具備阻燃性能，這保證了鋅/石墨雙離子電池具有良好的倍率性能和安全性能。該研究為開發高電壓碳酸酯類電解質提供了建設性思路。

　　

相關研究結果發表在Angew. Chem. Int. Ed.上，論文第一作者為青島能源所博士後陳政。研究工作受到國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、大連化物所-青島能源所融合基金等的支持。

論文連結:

https://doi.org/10.1002/anie.202010423

調控陰離子的溶劑化結構來提升電解質氧化穩定性的示意圖

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