Advanced Functional Materials:高性能可逆铜锌电池可通过调控二价铜离子的溶解度实现

能源和环境是当今人类生存与社会发展必须应对的两个重大问题。随着煤炭、石油等化石资源的枯竭和环境的日益恶化,使用太阳能、风能和水能等可再生能源已经成为全球性趋势。由于可再生能源转瞬即逝,储能设备就成为稳定电网、驱动电车和各类电子器件的关键。有机系锂电池是目前商业化应用最成功的储能器件,但是它们面临着资源短缺、环境污染和安全性等问题。相比之下,水系电池比现有的有机系电池具有经济、环境友好和安全等众多优势。然而,水系电池的能量密度还不能和有机系电池相比,因此提高水系电池的能量密度和循环稳定性是突破其瓶颈、实现商业化应用的重要环节。

近期,华中师范大学余颖教授联合休斯顿大学任志锋教授和陈硕教授课题组在水系铜锌电池领域取得重要进展,相关成果发表在Advanced Functional Materials上。第一作者为华中师范大学博士生朱前程(即将赴休斯顿大学联合培养)。该工作首次报道了在一个水溶液体系中实现可逆循环的高性能铜锌电池。铜锌电池是最经典的原电池之一。自1868年英国科学家丹尼尔发明铜锌电池以来,其一直被认为是一种不可循环的一次电池。但是,课题组根据其反应原理计算得出:铜作为锌离子电池正极材料可以实现两个电子的转移过程,理论上应具有844 mAh/g的超高容量。因此,稳定可循环的铜锌电池将有助于水系电池的发展,甚至替代昂贵、环境不友好和安全性差的锂电池。经研究发现,二价铜离子的溶解和不可逆是导致铜锌电池不可逆的根本原因。课题组通过调节二价铜离子的溶解度,有效的解决了这一问题,最终实现了可逆的铜锌二次电池。该电池的最高容量可达718 mAh/g,能量密度大于400 Wh/Kg,超过了现有商用锂离子电池的性能。除此之外,课题组还发现商用的铜片经过简单的原位活化就可以实现高性能的可逆铜锌电池,该方法简单、经济、高效,有利于铜锌电池的进一步发展和商业化应用。

研究者相信,该研究将为低成本、环保、安全的水系电池家族未来实际应用提供一种新的成员。相关论文以“Realizing a Rechargeable High‐Performance Cu–Zn Battery by Adjusting the Solubility of Cu2+”为题,在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201905979)上。