电池回收再利用技术平台
0411-86645829
0411-87283972
高浓缩醋酸锌电解液助力高效水系锌电池
发布时间:
2023-09-05
预览次数:
01 导 读
在更可持续的电池化学中，水系锌体系正重新受到关注。为了加速这项有前途的技术的实际应用，一个有效的策略是利用高盐浓度的电解质，以解决关键的技术挑战，特别是析氢反应和负极侧枝晶生长。然而，最先进的配方要么是锌离子缺乏，要么是卤盐依赖，这两者都会带来额外的挑战。
02 成果简介
本文利用亲水增溶，这一在制药科学中广泛应用的提高药物溶解度的策略，设计了一种由廉价且环保的乙酸锌（Zn(Ac)2）盐参与的高浓度富锌水系电解液。通过引入亲水性增溶剂，Zn(Ac)2的最大溶解度可提高至23 m。由亲水性增溶剂提供的高浓度Zn(Ac)2电解液在不牺牲锌离子浓度、成本和环境友好的情况下，抑制了副反应(HER)，提高了锌负极的可逆性。乙酸钾、尿素和乙酰胺3种亲水剂分别将Zn(Ac)2的溶解度提高到10 m、10 m和8 m。高浓度的Zn(Ac)2电解液能够使组装的Zn//芘- 4，5，9，10 -四酮( PTO )全电池在10 C下经过4000次循环后仍能保持70 %的初始容量。相关工作以“Hydrotropic solubilization of zinc acetates for sustainable aqueous battery electrolytes”为题发表在Nature Sustainability上。
03 关键创新
1、Zn(Ac)2前所未有的溶解性(最高可达23 m)是由于引入了亲水剂，将乙酸盐阴离子配体转变为亲水配位结构的结果。
2、包括醋酸钾、尿素和乙酰胺在内的三种亲水剂都能有效地构建高浓Zn(Ac)2电解质，使用高浓Zn(Ac)2电解质组装的Zn//芘- 4，5，9，10 -四酮全电池在4000次循环后仍保留70 %的初始容量。
04 核心内容解读
图1 Zn2+的溶剂化-鞘层结构。a，以乙酸钾为亲水增溶剂的高浓度乙酸锌电解质的制备。b，饱和Zn(Ac)2电解质析出晶体的XRD。c，FTIR图谱。d，XANES谱。e，HSE-10 m和1.6 m Zn(Ac)2电解质在R空间的EXAFS谱。f，HSE-10 m电解质的典型MD模拟电池的快照。g，HSE-10 m电解质的MD模拟得到的径向分布函数和配位数(CN)分布函数。h，1.6 m Zn(Ac)2和HSE-10 m电解质的配位数。
为了了解亲水性增溶剂的作用，作者制备了一系列X m Zn(Ac)2-15 m KAc ( X=2 , 5 , 8 , 10) ( HSE-X m)电解质。亲水增溶剂提供的额外乙酸盐不仅取代了Zn2+初级溶剂化鞘中的部分水，而且改变了配位方式，由双齿配位变为单齿配位。此外，MD模拟结果表明，HSE-10 m电解液中乙酸根-水之间的氢键数目是1.6 m Zn(Ac)2电解液中的约4倍。这些结果和讨论表明，与1.6 m Zn(Ac)2电解质相比，HSE-10 m电解质的初级溶剂化鞘具有更多的单齿乙酸盐。
图2富锌高浓缩电解液的优点。a，锌对称电池的恒流电压曲线；b，锌对称电池的过电位比较；c，锌对称电池循环50次后锌金属的SEM照片；d，锌对称电池放出氢气的强度。
较高的Zn离子浓度导致较高的可实现面积容量，这可归因于较高的迁移数和较长的Sand's时间。扫描电子显微镜(SEM)结果表明，较高的Zn离子浓度有助于更均匀的Zn形貌。此外，由于较低的动力学/扩散阻力，高Zn浓度也有助于较低的过电位。
图3高Zn2+/Zn可逆性和均匀的锌金属沉积/剥离。a，在1.6 m Zn(Ac)2电解液中，锌对称电池在第10次循环后表面锌电极的SEM照片。b，a和c的放大视图。c，在HSE-0 m电解液中，锌对称电池在循环400次后表面锌电极的SEM照片。d，1.6 m Zn(Ac)2 ( 50圈)和HSE-10 m ( 400圈)对称电池中Zn电极循环后的XRD。e，在1.6 m Zn(Ac)2和HSE-10 m电解液中测量Zn//Cu非对称电池的库伦效率。f，Zn对称电池在HSE-10 m电解液中恒极化10 m V，1600 s后的电流-时间曲线。g，在1.6 m Zn(Ac)2电解液中，锌对称电池在10 mV恒电位极化1600s后的电流-时间曲线。
作者进行了电化学性能测试。在HSE-10m中进行Zn//Cu不对称电池循环，前100个循环的平均库伦效率为99.4 %，在150个循环时达到99.6 %。相反，在1.6 m Zn ( Ac ) 2电解液中循环的Zn//Cu非对称电池在相同条件下的库伦效率为~98.3 %，电池在大约50个循环时由于短路而突然死亡。
图4 Zn对称电池和Zn//PTO全电池性能。a，锌对称电池在0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2下的恒流电压曲线。b，Zn//PTO全电池的示意图。c，Zn//PTO全电池的容量保持率和库仑效率。
作者使用Zn / / PTO全电池评估了高浓度Zn ( Ac ) 2电解质的实际性能。与其他缺锌电解液相比，三种高浓度Zn ( Ac ) 2电解液均表现出稳定的循环性能。三种高浓度Zn ( Ac ) 2电解液在10 C下循环4000次后，容量保持率稳定在~ 70 %，平均库伦效率为99.7 - 99.8 %。
05 成果启示
为了突破Zn(Ac)2盐的溶解极限（从1.6 m到23 m），本文通过亲水增溶的方法开发了一类高浓度Zn(Ac)2电解质。作者采用NMR、FTIR、Raman和MD模拟等多种电解质表征手段考察了疏水双齿配位向亲水单齿配位转变的亲水增溶作用，包括醋酸钾、尿素和乙酰胺在内的三种亲水试剂均成功实现了高浓度Zn(Ac)2电解液。采用高浓度Zn(Ac)2电解液，在0.5 mA cm-2下稳定的锌对称电池超过1200 h，在10 C下的Zn/ / PTO电池超过4000圈(70%的容量保持率)。该研究提供了一种合理和通用的方法来打破成本效益高和环境友好的盐的溶解极限，以实现可持续和高性能的电池应用。
06 参考文献
Dong, D., Wang, T., Sun, Y. et al. Hydrotropic solubilization of zinc acetates for sustainable aqueous battery electrolytes. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-023-01172-y
文章来源：新威NEWARE
特别声明：本站所载图文内容均来源互联网，微信公众号等公开渠道，我们对文中观点保持中立，出于更直观传递信息之目的转载稿件，仅供参考。版权归原作者和机构所有，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如有侵权，或涉及任何第三方合法权利，请及时联系我们删除（微信：snan2109；QQ：906945059），我们会及时反馈并处理完毕。
上一篇:
已经没有了
下一篇:
不同粒径钴酸锂粉末压实过程中的弹塑性分析
