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    陈忠伟院士团队,最新Angew.!
    来源: 时间:2024-03-15 12:11:18 浏览:1169次

    第一作者:Haozhen Dou、Xinru Wu

    通讯作者:陈忠伟院士、王新教授

    通讯单位:滑铁卢大学、华南师范大学

    DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202401974.


    【研究背景】

    水系锌离子电池(ZIBs)作为下一代低成本、高安全性的可再生能源电池技术被寄予厚望,其不仅具有水系电解质的高离子电导率,又融合了Zn金属负极较低的氧化还原电位、较高的比容量、储量丰富等优点。此外,ZIBs具有更环保的可持续性和易于制造的特点,引发了科研人员对开发多用途电极材料和多种适用电解质的热情。然而,实现ZIBs的商业化必须解决枝晶生长和副反应的问题。尽管科研人员已报道许多添加剂用于ZIBs,但添加剂的位阻效应及其与Zn2+溶剂化结构的关系却很少报道。基于此,加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士和华南师范大学王新教授等人报道了选择大尺寸蔗糖生物分子作为典型添加剂,开发了空间位阻电解质(STEs)来研究空间位阻对溶剂化结构的调节作用。

    【文章要点】

    1、通过将蔗糖溶解在常见的水电解质中,作者制备了空间位阻电解质(STEs),有效地抑制了ZIBs的副反应,抑制了枝晶的生长,同时拓宽了ZIBs的工作温度范围(-20 ℃~ +40 ℃)。理论计算和光谱表征表明,具有丰富羟基和醚基团的蔗糖作为氢键供体和受体与水形成强氢键网络,限制了水的活性,使STEs具有2.8 V的宽电化学窗口和宽工作温度。更重要的是,作者提出了一种全新的Zn2+溶剂化结构范式,蔗糖不参与Zn2+溶剂化壳层,但由于空间位阻效应,使Zn2+分布明显均匀,扩大了Zn2+的溶剂化结构,减弱了Zn2+-H2O的相互作用,有助于快速脱溶动力学。

    2、值得注意的是,STEs提供了富含蔗糖的双电层来调节界面水微环境,并诱导原位形成有机成分-ZnS-ZnSO3杂化SEI,从而抑制副反应和枝晶生长。因此,Zn//Zn对称电池在0.5 mAh·cm-2和10 mAh·cm-2下的循环寿命分别延长了10000 h和625 h。同时,Zn//NVO电池具有3.9 mAh·cm-2的高容量,在4.5 μL·mg-1的稀电解液和1.5的低N/P比下具有670次以上的长循环稳定性,以及在-20 ℃~+40 ℃的宽温度下稳定工作。此外,作者还在容量为930 mAh、能量密度为52.3 Wh Kg-1的袋式电池中证明了STEs。本研究为设计具有空间位阻效应的宽温度范围、多用途电解质开辟了一条途径。

    【图文展示】

    图1. STEs的设计方法和分子间相互作用的重构

    图2.空间位阻对Zn2+溶剂化结构及Zn2+和SO42-分布的影响

    图3.双电层结构

    图4. SEI层的结构和化学性质

    图5.Zn负极的结构演变:Zn的成核、沉积、晶体结构和形态

    图6. ZIBs的电化学性能

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    12条评论
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    全部 3小时前 四川
    文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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