本征安全有机电解液中锌金属负极电化学行为

金属锌由于高比容量、高丰度和低毒性,被广泛地认为是一种理想的电池负极材料。然而在传统的水系电解液中Zn负极库伦效率低和锌枝晶严重,严重阻碍了可充锌电池的发展。近期报道的三维锌电极和高盐浓度电解液能够一定程度上提升金属锌的可逆性,却没有完全解决水系电解液热力学不稳定这一根本问题。有机溶剂体系可以提升界面的稳定性,消除副反应,但未解决枝晶问题,并且常规有机溶剂易燃,给锌离子电池带来潜在安全隐患。

由上海交通大学王久林研究员团队首次提出本征安全的磷酸三乙酯(TEP)为溶剂的电解液有效地改善了金属锌的沉积溶出行为,具体表现为金属锌的沉积为高度规整的多孔形貌,显著降低真实电流密度。相关工作已经发表于Angewandte Chemie, 2019, 131, 2786-2790.

近期课题组报导本征安全的磷酸三甲酯(TMP)基电解液,进一步提升了金属锌界面稳定性,有效解决了枝晶、界面副反应和安全性三方面关键问题。获得的金属锌沉积层具有类似石墨烯皱褶的形貌,原位形成的多孔结构能够有效地降低真实电流密度和加快锌离子的运输,TMP作为单一溶剂的电解液中锌对称电池寿命超过2000小时,平均库伦效率为99.57%; TMP/DMC混合溶剂的电解液中,Zn负极寿命进一步提升至5000小时,效率约为99.15%,并具备高倍率沉积/剥离能力。与二硫化钒(VS2)正极匹配,锌金属电池表现出稳定的循环性能。本工作对于制备长寿命和本征安全的锌离子电池具有重要的意义。

相关工作已经在线发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201900668),题为A Highly Reversible Zn Anode with Intrinsically Safe Organic Electrolyte for Long-Cycle-Life Batteries,论文第一作者为Ahmad Naveed博士,通讯作者为王久林研究员。