Advanced Energy Materials:高电压、高容量水系锌离子电池

普鲁士蓝类似物具有开放式的框架结构,可供金属离子快速嵌入和脱出,被认为是金属离子电池中有应用前景的电极材料。近年来,其被广泛应用于水系金属离子电池。虽然普鲁士蓝类似物作为电极材料具有较高的理论比容量,但是在水系电解液中,只有单一的反应活性位点被激活,其实际输出容量只有~60 mAh×g-1,远远低于其理论容量,限制了其应用。

近日,香港城市大学材料科学与工程系支春义课题组,在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201902446)上,发表了题为“Achieving high-voltage and high-capacity aqueous rechargeable zinc ion battery by incorporating two-species redox reaction ”的研究论文。第一作者为博士生马龙涛。他们采用简单的共沉淀法合成了铁氰化钴纳米立方体,并通过原位电化学方法脱出钾离子。以制备的铁氰化钴为正极,金属锌为负极,4 M Zn(OTf)2水溶液为电解质,组成水系锌离子电池。和目前广泛报道的水系锌-普鲁士蓝电池相比,水系锌-铁氰化钴电池显示双反应活性位点。其在0.3 A×g-1 电流密度下,具有高达1.75 V输出电压以及173.4 mAh×g-1的容量。这在目前报道的普鲁士蓝基水系锌离子电池中,容量最高,能量密度最高。这主要得益于在充放电电化学反应过程中, Co(II)/Co(III) 和Fe(II)/Fe(III) 两个活性反应对都参与电化学反应。并且,此水系锌-铁氰化钴电池显示出优异的倍率性能和循环性能。即使在高达6 A×g-1 电流密度下充放电,其容量依然可以保持109.5 mAh×g-1的容量。在3 A×g-1 电流密度下,充放电循环2200次后,其容量基本保持不变。研究者们相信,通过在电极材料中引入多个反应活性位点,有望获得高比容量电池。