Advanced Energy Materials:解耦正负极载流子策略提高柔性水系电池电化学性能

柔性电子设备有望给人们的生活带来巨大改变,而开发高性能的柔性供电设备是实现柔性电子大规模应用的前提。与基于有机电解质的柔性储能器件相比,柔性水系电池具有安全可靠、环保和低成本等天然优势。由于锌金属具有合适沉积/剥离电位(−0.76 V vs. SHE)和高的理论比容量(820 mAh g−1, 5855 mAh cm−3 ),并且可以在水系电解液中直接作为负极使用,柔性水系锌基电池受到科研人员广泛关注。但目前水系锌基电池的性能仍不能令人满意,这主要是因为现阶段使用的正极材料主要是锰基氧化物,钒基氧化物,普鲁士蓝类似物和聚阴离子材料,放电比容量较低且放电电压也不稳定。开发新型高比容量的正极材料是当前柔性水系电池领域的难点。

硫具有自然资源丰富、成本低、无毒等优势,是一种具有商业竞争潜力的正极材料。它已在锂硫电池和钠硫电池等储能器件中广泛地作为正极材料,但尚未有硫应用于柔性水系电池领域的研究报道。

将硫作为水系锌基电池的正极,以锌离子作为载流子时,硫在放电过程中发生两电子反应(S + Zn2+  + 2 e  → ZnS),氧化还原电位较低(~−0.26 V vs. SHE)。而当铜离子作为载流子时,硫可以发生四电子转移反应 (S + 2 Cu2+  + 4 e  → Cu2S) ,具有超高的理论比容量 (3350 mAh gs−1),且放电电压更高 (~0.5 V vs. SHE)。为了同时赋予硫正极和锌负极最佳的反应环境从而使柔性水系电池的储能能力最大化,清华大学的曲良体教授与北京理工大学的张志攀教授团队提出解耦正负极载流子的策略来制备柔性水系Zn-S混合电池,即硫正极采用铜离子作为载流子,锌负极使用锌离子作为载流子,从而改变了柔性水系电池正负极采用同一种载流子的常规构型。该工作首次将硫引入到柔性水系电池领域,所构建的柔性Zn-S混合电池具有超高的比容量。在100 mA gS−1的电流密度下,首圈放电比容量为3084 mAh gS−1,可逆放电比容量为 2063 mAh gS−1,显著超过其他柔性水系电池。此外,这种电池还具有放电电压稳定的优势,可以在0.15 V的电压降内释放92 %的容量。

相关研究工作以题为“Maximizing Energy Storage of Flexible Aqueous Batteries through Decoupling Charge Carriers”的文章发表Advanced Energy Materials (10.1002/aenm.202003982)上。此项研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的大力支持。