Angew. Chem. :抗冻植物启发实现高倍率长循环超低温锌离子电池

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可充电水系锌离子电池具有安全性高、资源丰富、理论容量高等优点,是下一代储能体系的有力竞争者。然而,它们在深海探险和极地考察等低温环境中的应用仍受到严峻挑战。当温度降至0°C以下时,水系电解质(如ZnSO4)易于凝固,导致锌离子扩散速率和脱溶剂化动力学迅速降低,电池倍率性能严重恶化。此外,锌电极遭受腐蚀和不受控制的枝晶生长等问题,造成循环寿命不理想。特别是在高电流密度下,锌负极面临局部脱溶剂化困难和严重腐蚀的风险,长期循环后会导致枝晶生长和短路。因此,开发能够同时解决低温下腐蚀和动力学问题的电解质新策略,最终获得具有高倍率(≥5 mA cm-2)和良好稳定性的锌负极至关重要。



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近日,西北工业大学官操教授团队发现雪松等植物即使在冬季也能保持其鲜明的外观,这为构建低温锌离子电池提供了有意义的策略。在这些植物细胞中,细胞液的组成以及营养物质的运输与电池中的电解质和锌离子运输高度相似。因此,受抗冻雪松的启发,该文章报道了微量富羟基电解质添加剂策略,该添加剂可实现高性能低温锌离子电池的双重重构效应。

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以微量α-D-葡萄糖(αDG)为例,采用多种光谱表征技术结合理论计算深入分析了αDG在ZnCl2电解质中的作用机理。研究发现αDG分子可以从锌离子溶剂化壳中置换出水分子,重构锌离子在电解质中的溶剂化结构,有利于减少锌电极的腐蚀,加快反应动力学。此外,利用密度泛函理论计算了富羟基αDG在锌负极表面的吸附机理。富羟基αDG分子倾向于优先吸附在锌负极表面形成富集屏蔽层,此重构效应可以减轻锌负极的腐蚀并进一步调节锌离子的成核和沉积行为。

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实验证明锌负极在低温下表现出长循环稳定性以及优异的倍率性能。值得注意的,在ZnCl2-αDG电解质中(-25℃),锌负极在5 mA cm-2的高电流密度下表现出超过2000 h的循环稳定性,累积容量可达5000 mAh cm-2。即使温度降低至-40℃,电极仍然可以在5 mA cm-2条件下稳定循环800 h,优于大多数已报道的低温改性锌负极。这项工作为低温水系电解质的设计提供了新的思路。

文信息

Bio-Inspired Trace Hydroxyl-Rich Electrolyte Additives for High-Rate and Stable Zn-Ion Batteries at Low Temperatures

Fan Bu, Yong Gao, Wenbo Zhao, Qinghe Cao, Yifan Deng, Jipeng Chen, Jie Pu, Jiayu Yang, Yuxuan Wang, Nute Yang, Ting Meng, Prof. Xiangye Liu, Prof. Cao Guan

该论文的第一作者为卜凡,高勇和赵文波博士。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202318496

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