我校机械工程学院何亮团队在快充储能器件领域的研究取得进展

发布时间: 2024-09-20 10:22:36 浏览次数 : 1100 来源:四川大学

近日，我校机械工程学院何亮团队与澳大利亚新南威尔士大学赵川教授团队合作，在Advanced Energy Materials上在线发表了题为“Cation Adsorption Engineering Enables Dual Stabilizations for Fast-Charging Zn-I₂Batteries”的研究论文。博士研究生廖小巧为论文第一作者，何亮和新南威尔士大学赵川教授为论文共同通讯作者。四川大学机械工程学院为论文第一单位。

水系锌碘电池(Zn-I₂)由于其固有的安全性、较高的理论容量、可持续性和成本效益，是一种很有前途的储能系统。然而，多碘化物的穿梭效应严重影响了活性碘的稳定性，甚至加速了锌负极的腐蚀，阻碍了锌负极的进一步发展。抑制多碘化物穿梭效应的一般策略是引入碳基复合材料来吸附多碘化物。然而，多孔碳主体和多碘化物之间的物理吸附和/或化学吸附不足以抑制穿梭效应，导致有限的碘负荷和小容量。此外，制备碘基复合正极不可避免地使用高浓度挥发性碘溶液或碘蒸气，具有一定的毒性和环境污染危害。另一个有前景的策略是电解质修饰。一般来说，低含水量的电解质如盐包水电解质、凝胶电解质、离子液体等已被证明能有效抑制多碘化物的穿梭，稳定Zn负极。然而，与普通的水系电解质相比，这些电解质的成本明显增加，而且它们相对较高的粘度阻碍了离子的扩散，导致全电池的倍率性能较低。最近，离子(阳离子/阴离子)在正常水系环境中固定多碘化物或多溴化物的行为被研究。例如，三氟甲烷磺酸盐((OTf)⁻)可诱导颗粒碘沉淀的形成；季铵盐阳离子可与多溴化物形成配合物，抑制其溶解。然而，这些离子通过固态形式络合多溴化物或多碘化物，由于离子/电子传递较差，导致极化增加。同时，锌枝晶生长也是锌电池中的一个关键问题，因此探索对多碘化物具有优异吸附效果并同时对锌负极产生积极影响的特殊离子仍然是一个挑战。

该研究工作提出了一种独特的具有强吸附作用的三甲基锍阳离子(TMS⁺)来稳定碘正极和锌负极。利用TMS⁺与多碘化物之的强相互作用，该电解质可以有效地将大容量的碘以油相沉淀的形式固定，从而避免了多碘化物的穿梭效应和锌的腐蚀。此外，TMS⁺可以优先吸附在Zn的各个晶面，产生静电屏蔽效应，抑制Zn枝晶的生长。因此，锌负极可以在5 mA cm⁻²/5 mAh cm⁻²下稳定循环3400 h以上，Zn-I₂电池可以实现2.71 mAh cm⁻²的大面积容量和超过6400次循环的长寿命稳定性。此外，阳离子吸附工程在软包电池中得到了实际应用，实现了790次循环的快速充电稳定性。这种具有双重稳定作用的电解质改性有望作为一种经济、简便和安全的策略应用于其它金属碘电池。

该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202402306