锌火烧之锌离子电池

近两年,可充电中性水系锌离子电池(ZIB)由于其低成本、高安全、环保、高性能的优点得到了持续关注,而这几点都是当前有机体系电池所难以企及的。锌离子电池的定义源于其充放电过程中,正极材料可进行Zn2+的脱嵌,负极可进行Zn的氧化溶解/ Zn2+的还原沉积,电解液为含Zn2+的近中性或弱酸性水性溶液。其不同于碱性锌电池(负极为锌及其氢氧化物/氧化物的溶解/沉积反应,正极为质子脱嵌反应如传统的锰-锌、镍-锌电池,或正极与氢氧根反应如四氧化三钴-锌电池),亦区别于其他利用锌作为负极的非碱性电池体系(负极为锌的溶解沉积反应,正极为其他离子参与的反应,其本身不发生Zn2+脱嵌),见下图

“锌舞飞扬”

近日,Adv. Mater. 在线发表了南洋理工大学范红金教授团队在锌离子电池领域的最新研究成果。针对固态锌离子电池倍率性能差,锌金属负极利用效率低、枝晶,及全电池能量、功率密度低等问题,该工作报道了一种全新的二维层状钒基材料、新型固态电解液、轻质三维多孔锌金属泡沫,并展示出了2000多次长循环、50 C的固态锌离子电池倍率,得到具有整体高能量/功率密度的柔性器件。Ø 针对循环稳定性:新型白炭黑凝胶半固态电解液、三维泡沫锌金属减弱锌金属枝晶、失活问题。众里寻他千百度,此时无机胜有机。Ø 针对固态电池倍率差:正极单晶阵列结构设计使其暴露大量(100)短程快速扩散面;超薄锌金属阵列设计降低锌溶解/沉积的不均匀,提高溶解/沉积动力学。Ø 针对器件整体的能量、功率密度:传统锌金属片负极极大的抑制了负极的效率和放电深度(通常低于15%),这样浪费了整体器件的能量/功率密度。通过锌金属泡沫的利用,我们获得了极高的锌负极效率(66%),大大提高了器件的能量/功率密度。云鬓花颜换新貌,一曲唱罢天下知。

“锌综有述”

此外,该课题组在其AFM邀请综述里,从锌离子电池的材料,尤其是正极材料的晶体结构出发,详细介绍结构和性能的关系及其储锌机制,也简要提及了电解液和锌负极。希望能为他在储能江湖上的雄“锌”壮志,助一臂之力。目前用于ZIB的各类正极材料各具优势,普鲁士蓝类似物尽管比容量较低,但其具有较高的放电电压;锰基材料具有更高的放电容量和比能量,综合的循环、倍率性能;钒基材料则有更高的比功率、更好的倍率和循环特性。深入理解各类材料晶体结构、离子脱嵌机制与电化学性能之间的相互关系,方能获得理想的ZIB正极材料。

相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201803181), Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201802564)上。

附范帮主锌离子电池打油诗一首:

《锌舞飞扬》

范红金

储能江海波涛涌,纳米三维立锌功。

钒入红尘离子笑,芯柔似水舞秋风。

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