生物亲锌启发的电解液添加剂促进高性能水系锌离子电池的构建
时间:2023-01-30 12:02来源:水系储能 作者:ASEer
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研究背景
水系锌离子电池因其拥有本征安全和成本低廉等优点，在大规模能源存储和智能电网等领域展现出良好的应用前景。然而，锌负极在水系电解液中存在热力学不稳定，在Zn2+沉积和剥离过程中易产生枝晶和副反应，导致电池短路失效，从而阻碍了器件的实际应用。目前，引入具有亲锌性的电解液添加剂是提升锌负极稳定性的重要策略之一。但是，大多数的添加剂存在调节功能单一、成本高和环境友好性较差等缺点。因此，寻找具有多功能、价格低廉和绿色环保等优点的亲锌性添加剂至关重要。类似于水系锌离子电池，Zn2+在真核生物的细胞中也存扮演着不可或缺的角色，其中，由于氨基酸链和Zn2+之间存在良好的亲和力，而配位形成的锌指蛋白（ZFP）在基因的表达调控、细胞分化和胚胎发育等生命过程中发挥重要作用。受此启发，重庆大学-新加坡国立大学联合实验室 (CQU-NUS joint lab) 李猛课题组在水系电解液中引入具有生物亲锌性的甘氨酸(Gly)添加剂来提升锌负极的稳定性。通过实验表征和理论计算表明，Gly添加剂不仅可以重塑水系电解液中[Zn(H2O)6]2+的溶剂化壳结构，而且还能优先吸附在锌负极表面，从而抑制负极-电解液界面的副反应，促进 Zn2+的均匀沉积与剥离，在含Gly添加剂的电解液中，锌负极呈现出良好的循环稳定性和可逆性，组装成的全电池也展现出良好的应用前景。此工作将仿生设计理念与电解液调控有机的结合起来，为调控负极-电解液界面化学特性，设计高性能水系锌离子电池提出了新的思路。
近期该研究以“Electrolyte Regulation of Bio-inspired Zincophilic Additive toward High-Performance Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在国际知名期刊Small，第一作者为课题组博士研究生苟倩志；此工作受到复旦大学晁栋梁教授课题组、重庆大学李俊教授课题组、重庆大学李凌杰教授课题组的大力支持和帮助。
图1. 电解液添加剂的仿生启发思路图(原文引图).
图2. Gly添加剂对[Zn(H2O)6]2+溶剂化壳结构的影响机制(原文引图).
图3. Gly添加剂对Zn‖MnO2全电池电化学性能的影响(原文引图).
研究结论
综上所述，本工作受到生物细胞内锌指蛋白中Zn2+与氨基酸链具备较强亲和力的启发，并综合考虑经济成本与环保因素，在水系电解液中引入良好亲锌性的甘氨酸(Gly)添加剂。实验表征与理论计算结果表明，Gly添加剂可以部分替换[Zn(H2O)6]2+的配位水分子，改变其溶剂化壳结构，削弱电极-电解液界面的副反应。此外，Gly添加剂还能优先吸附在锌负极表面，抑制尖端效应，从而促进Zn2+的均匀沉积�；谏鲜龉ぷ骰疲诤珿ly添加剂的电解液中，组装的锌对电池和Zn‖MnO2全电池实现良好的电化学性能。因此，该工作将仿生设计理念与电解液调控有机的结合起来，为构筑高性能水系锌离子电池提供新的研究思路。
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