在“后鋰離子”電池體系中，水系鋅電池應用價值大，近年來受到新的關注。多種正極材料被報道可與鋅負極進行搭配，以期產(chǎn)生性能的突破。與傳統(tǒng)無機正極材料不同，有機材料主體的分子間弱相互作用更加適合多價離子的存儲，且高度可調的有機結構賦予其新的離子反應機制。然而，目前的水系鋅電解質尚存在很大不足，例如水合[Zn(OH2)6]2+離子活性很高，會引起嚴重的副反應及不均勻鋅沉積，以及有機電極的放電產(chǎn)物極性較高，易被自由水溶解，造成容量衰減。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊、副研究員趙井文和南洋理工大學教授張其春合作，采用水合鋅鹽加中性配體這種簡單、低成本配方，提出一種由丁二腈（SN）和六水合高氯酸鋅Zn(ClO4)2·6H2O組成的水合熔鹽鋅基電解質，有效解決了鋅負極及有機正極在水系電解質中副反應和不可逆溶解的問題。電化學測試發(fā)現(xiàn)，這種水合熔鹽鋅基電解質有效抑制了金屬鋅負極的枝晶和副反應，實現(xiàn)了鋅負極的長期循環(huán)穩(wěn)定性。光譜表征以及理論計算發(fā)現(xiàn)，丁二腈破壞了[Zn(OH2)6]2+溶劑化結構并參與鋅離子的溶劑化。此外，被丁二腈替換掉的水分子仍被鋅離子的溶劑化層及被電解質獨特的共熔結構網(wǎng)絡所束縛而以類似結合水的“被束縛”狀態(tài)而存在。當將一種含有硫的醌類聚合物聚（2, 3-二硫基-1, 4-對苯醌）(PDB)作為鋅離子電池的正極時，該水合熔鹽有效減少了有機正極的溶解。在0.3C的條件下，電池循環(huán)了3600次，容量保持率為85.4%。另外，當溫度相繼降溫為-10℃和-20℃時，電池仍表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性并可輸出70 mAh gˉ1和40mAh gˉ1左右的容量，表明這種水合熔鹽電解質有望在低溫環(huán)境中應用。該研究為新型水系電解質的開發(fā)及鋅-有機電池發(fā)展提供了新思路。
相關成果發(fā)表在《焦耳》（Joule）上，論文第一作者為青島科技大學楊武海、青島能源所杜曉璠。該研究得到國家自然科學基金、中科院青促會、大連化物所-青島能源所融合基金等的支持。
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內容來源于 中國科學院
110102000668（1）號