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科學(xué)島團隊在水系鋅離子電池凝膠電解質(zhì)研究方面取得新進(jìn)展

作者:李兆乾、王憶凡發(fā)布時(shí)間:2024-06-17【打印】【關(guān)閉】

近期,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所能源材料與器件制造研究部胡林華研究員團隊在水系鋅離子電池凝膠電解質(zhì)研究方面取得新進(jìn)展??蒲腥藛T構建了一種高電導率和強保濕性的水凝膠電解質(zhì),有效打斷了水分子團簇,增強了水的共價(jià)性,從而擴大了電化學(xué)穩定窗口,使電池能在寬溫區運行工作。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Advanced Energy Materials 上。

不可逆的電解質(zhì)相變和加速的寄生反應會(huì )極大損害水系鋅離子電池的氣候適應性。水分子的活性是影響電解質(zhì)凝固點(diǎn)、電化學(xué)穩定窗口和鋅沉積行為的關(guān)鍵因素,因此,改善水的活性是提升水系電池溫度適應性的關(guān)鍵。與傳統的液態(tài)電解質(zhì)相比,水凝膠電解質(zhì)具有防滲漏、結構穩定和可調節的機械柔韌性等優(yōu)勢,通過(guò)合理的結構設計,可以有效抑制水的活性。然而,目前報道的電池在極端環(huán)境條件下的充放電性能普遍不理想,尤其是在季節和維度變化較大的情況下,這限制了水系鋅基電池的廣泛應用。此外,水分子的配位環(huán)境、鋅離子的溶劑化結構以及鋅與電解質(zhì)界面的耐溫機制也有待深入研究。

鑒于此,固體所研究人員構建了一種 "共價(jià)增強型 "水凝膠電解質(zhì),它具有優(yōu)異的界面粘附性和強大的保濕能力。通過(guò)有效調節水環(huán)境和鋅離子的溶劑化結構,這種電解質(zhì)實(shí)現了冰點(diǎn)的降低、蒸發(fā)特性的改善以及界面副反應活性的降低,從而在各種氣候條件下實(shí)現了電解質(zhì)的穩定運行。論模擬分析證實(shí)了電解質(zhì)機械性能的改善和鋅界面的熱力學(xué)穩定性。這些都有利于抵御枝晶并解決電極與電解液之間的接觸不良問(wèn)題,使得電池具有-40~130 ?C的寬溫工作范圍,在-40~70 ?C內也能穩定運行。

該研究提出一種高電導率和強保濕性的水凝膠電解質(zhì),利用相關(guān)離子物種對水分子的錨定和鋅離子溶劑化層的調節,有效打斷水分子團簇,提升了水的共價(jià)性和穩定性,從而拓寬電化學(xué)窗口并能在寬溫區穩定工作,為極端環(huán)境下電池的運行提供了新思路。

論文第一作者為固體所博士研究生王憶凡,通訊作者為李兆乾副研究員、胡林華研究員和中南大學(xué)周江教授。該工作得到了合肥物質(zhì)院院長(cháng)基金的支持。

論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202402041?af=R

1. a) 電解質(zhì)結構的設計和構造示意圖;b) Glu/ZC/PAM(左側)和純 ZC(右側)中的鋅沉積行為示意圖。

2.a) 各種電解質(zhì)的傅立葉變換紅外光譜;b) 電解質(zhì)在O-H伸縮振動(dòng)區域的擬合拉曼光譜;c) 電解質(zhì)中強H鍵和非H鍵的比例;d) 不同分子與水分子的結合能;e) Zn、葡萄糖/Zn和聚丙烯酰胺/Zn吸附H+的吉布斯自由能(ΔGH);f) 通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬得出Zn2+-O1 (Glu), Zn2+-O2 (ClO4-) and Zn2+-O3 (H2O)的徑向分布函數。

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