牺牲阳极

Wilson.Avold.锌电池组革新:快充绩优股

2022-10-10 17:35:32 147小编

牺牲阳极、铝阳极、锌阳极

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第三基层单位:罗德斯海德北欧国家生物医学

通信译者:Xiao-Qing Yang

1799年,锌合金被用作由康斯坦丁·金格发明者的第二个电池组-伏打堆。做为一类经典之作的阴极金属材料,各种类型锌电池组(Zn-水蒸气,Zn-MnO2,Zn-NiOOH和Zn-Ag2O)早已获得成功商品化,她们绝大部分直至那时仍在采用。但合作开发INS13ZD锌基电池组的重大进展较慢,即使Zn在干流钙中的固相极差。水性锌电池组的高容量(820mAh/g)和高安全性使它重新受到人们的关注。但在循环过程中锌枝晶的生长所导致库伦效率降低的问题亟待解决。

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图1. Zn阴极的循环前后的SEM和XRD图

罗德斯海德北欧国家生物医学Xiao-Qing Yang等人[1]撰文评述了王春生/许康教授联合发表在Nature Materials上的有关锌阴极文章[2]。后者采用一类双盐干流电解液可以从根本上解决了锌阴极水化学反应不可逆的问题。她们设计了一类由锂盐LiTFSI(其中TFSI是双(三氟甲烷)磺酰胺和锌盐(Zn(TFSI)2)组成的浓缩干流钙,通过调节锂盐与锌盐的浓度可以在锌和水之间生成一类电化学惰性金属材料,从而阻止了锌枝晶的生长,使其库伦效率稳定在100%左右。

浓缩的钙电化学稳定性也提供了更宽的电压窗口。构建的Zn-LiMn2O4混合型全电池组500个循环后的容量保持率为83.8%。该库仑效率接近100%,表现出高度可逆。一类采用多孔碳基质做为阴极金属材料的锌-氧电池组在高能量密度300Wh/kg下可以超过200次循环,而且这是在阴极没有催化剂的情况下实现的,更是前所未见。如果进一步优化阴极金属材料,相比其性能还将会进一步提升。

表1 单价离子和多价离子的电化学信息

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做为锌系电池组家族的一员,INS13ZD的锌离子电池组被寄予厚望。至于为什么说锌离子电池组能够满足快充,主要是即使大多数多价离子嵌入正极金属材料的晶体结构中需要的结合能更低且离子迁移速度也非常快。在表1 中, D 代表离子扩散系数,E代表嵌入离子嵌入金属材料晶体结构中所需要的最低结合能[3]。从表1 中可以看出多价离子的扩散系数一般比单价离子大,说明多价离子的电荷迁移速率通常比一价离子快。与一价离子相比,大多数多价离子嵌入正极金属材料的晶体结构中需要的结合能更低,因此能够进行快速充电。

锌电池组能否再起波澜,让我们拭目以待!

参考文献:

[1] Enyuan Hu, Xiao-Qing Yang, Rejuvenating zinc batteries,Nature Materials17, 480-481 (2018)

[2] Fei Wang, Oleg Borodin, Tao Gao, Xiulin Fan, Wei Sun, Fudong Han, Antonio Faraone, Joseph A Dura, Kang Xu, Chunsheng Wang, Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries,Nature Materials17, 543-549 (2018)

[3] 陈丽能, 晏梦雨, 梅志文, 麦立强,Journal of Inorganic Materials, DOI: 10.15541/jim20160192

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