【48812】我国科大提出纳米胶束电解质新思路并用于高功能水系锌锰二次电池

时间: 2024-07-12 14:32:19 |   作者: 家居及玩具

　　近来，我国科学技术大学闫立峰教授课题组经过使用两亲性甲基脲分子，规划了一种新式结构的水基纳米胶束电解质。这一作业打破了以往关于电解质接连溶剂相的知道，经过纳米胶束结构包裹了自在移动的离子，树立了部分/界面相互作用网络，经过金属离子的操控开释，有用地保持了离子的三维分散办法和有利的界面成核反响，完成了金属枝晶和电极副反响的有用按捺。相关研讨成果率先在锌-锰电池系统中得到了证明，并发表于化学专业闻名期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)。

　　锌离子电池因为锌阳极的高理论比容量(820 mA h g-1)、高储量、成本低、氧化复原电位低(-0.762 V vs. SHE)等优势，被认为是下一代清洁动力存储的有出路的候选者。但是，锌离子电池的寿数遭到锌阳极不可逆电化学反响的严峻约束，如析氢反响(HER)、“死锌”的继续堆集以及不受操控的枝晶成长等。一起，以二氧化锰为正极资料代表的一系列锌离子电池遍及具有低的作业电压(1.5 V)和难以匹配锌阳极的电极容量。怎么经过电解质的规划优化来调控锌电池的电化学功能是至关重要的问题。

　　该文提出了一种共同的纳米胶束电解质规划思路，由ZnSO4、MnSO4和高浓度甲基脲(Mu)分子经过自拼装战略构建，水溶剂环境被划分为亲水区和疏水区，阳离子和阴离子则被封装到纳米域中(图1)。纳米胶束阻断了接连的水基体相，打破了水分子之间氢键网络并在胶束内部和胶束/水界面上重构了部分氢键。此外，Mu分子参加了Zn2+/Mn2+离子的溶剂鞘结构，排挤了溶剂化水分子，下降了脱溶剂化能垒，按捺了水分化反响。更重要的是，Zn2+/Mn2+离子能够可控地从胶束团簇中开释开来，以三维分散办法分散并在电极外表均匀堆积。此外，在锌阳极外表一种新的固体电解质界面(SEI)保护层Znx(Mu)ySO4∙nH2O得以原位生成，以防止水分子继续进入形成的锌腐蚀。

　　动态光散射依据成果得出电解质A3Mu中存在约14nm左右的纳米胶束，核磁成果证明了胶束内部的多重氢键相互作用，DFT计算成果也标明Zn2+/Mn2+和Mu分子上的羰基和具有更强的结合才能，从而有利于进入到胶束内核中，削减溶剂鞘结构中的水分子数（图2）。此外，红外，拉曼光谱成果也辨认到了SO42-阴离子歪曲的正四面体结构，可能是因为胶束内部拥堵的空间和电荷-偶极相互作用形成的，这些依据成果得出了胶束电解质的成功构建。

　　得益于胶束电解质内部氢键的重构，电解质和碳布正极界面接触角下降，MnO2/Mn2+成核电位下降，一起因为Mn2+的操控开释特性，生成了反响可逆性更高，结构更疏松的二氧化锰颗粒。在不同SOC状态下，非原位SEM，XPS，Raman, XRD等测验办法核实了高度可逆的二电子转化反响。使用二电子反响的锌锰电池显示出史无前例的高单位体积内的包括的能量800.4 Wh kg-1（根据正极活性资料）以及高达1.87 V的放电电压（图3）。

　　我国科学技术大学化学与资料科学学院博士生邓永琦为该文章的榜首作者，闫立峰教授为通讯作者。该研讨得到了科技部、国家自然科学基金和我国科学技术大学的经费赞助。