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新材料学院在可充放电锌离子电池及关键材料研发取得进展
日期:2018-12-07 16:29:23 来源:新材料学院 点击:
  锌具有最低的电化学势(-0.76 V vs SHE),体积能量密度是金属锂的3倍,并且在地壳中储量丰富、环境友好。因此锌是一种理想的负极材料。与锂离子电池相比,水体系工作的锌离子电池具有更高的安全性以及更低的成本,适合用于大规模能量存储领域。但是,锌负极在循环充放电的过程中比金属锂更易形成枝晶,电池短路的风险极大,因此目前的实际应用的锌离子电池都是单次使用的一次电池,不像我们手机使用的可循环充放的锂离子电池。参考锂离子电池领域,采用Zn固态电解质替代电解液有望实现Zn的均匀沉积并抑制枝晶生长,从而推广Zn金属二次电池的应用。遗憾的是,由于二价Zn2+与晶格作用较强,目前尚未发现室温下Zn2+离子电导率较高的固态材料。
  北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队利用金属-有机框架材料(MOFs)具有利于离子快速迁移、高度可设计的有序孔道结构,首次研发成功基于MOFs的Zn-单离子导体固态电解质实现可稳定充放电循环的锌离子电池。相关成果发表的近期的国际材料与能源知名杂志Nano Energy(Nano Energy, doi :j.nanoen.2018.11.038 , 影响因子13.3 )上。
图 . a) MOF-808的离子化后修饰过程及b) ZnMOF-808单Zn2+离子导体的结构示意图。c) MOF-808的离子化前后的NMR图谱对比。d) ZnMOF-808单Zn2+离子导体电导率的阿伦尼乌斯曲线。锌片负极在e) 1 M ZnSO4电解液和f) ZnMOF-808单Zn2+离子导体中的Zn沉积形貌。
  团队利用离子化后修饰以及离子交换等手段,成功地制备了基于MOF-808的Zn2+固态电解质(WZM)。材料的制备过程如图所示。它是一种固态的单Zn2+离子导体,室温电导率高达0.21 mS∙cm-1,Zn2+离子迁移数为0.93,电化学窗口为2.20 V,满足所有已知的锌离子电池正极材料。这是与在电解液中的沉积形貌不同(图1e),在WZM固态电解质的作用下,锌的沉积均匀、致密且没有枝晶(图1f)。通过对比研究发现,这种优良的沉积形貌得益于带负电的MOF孔道对Zn2+的限制和诱导沉积机制。最后我们利用WZM固态电解质组装了Zn|WAM|VS2固态电池并进行了测试。室温下250个循环后该固态电池的容量保持率为首圈的89%,并展现了良好的倍率性能。
  该工作由潘锋教授指导,由博士后王子奇作为第一作者及团队的合作下完成。以上工作得到了国家材料基因组重大专项(2016YFB0700600)、国家自然科学基金、深圳市科技创新委的资助支持。