新材⌒料学院潘锋团队在可充放电锌离子电池及关键材料研发取得进展
锌具有最低的电化学势(-0.76V 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及更低的成本,适△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①的风险极大,因此目前实际应用的锌离子电池都是单次使用的一次电池,而非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Ψ长,从而推广Zn金属二次电池的应用。遗憾的是,由于二价Zn2+与晶格作用较强ぷ,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。相关成果以“A MOF-based single-ion Zn2+ solid electrolyte leading to dendrite-free rechargeable Zn batteries”为题发表于近期的国际材料与能源知名杂志Nano Energy(doi:j.nanoen.2018.11.038, 影响因子13.3)。
团队利用离☆子化后修饰及离子交换等手段,成功地制备了基于MOF-808的Zn2+固态电解质(WZM)(材料的制备过程如下图所ω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2.20V,满足所有已知的锌离子电池正极材料。这与在电解液中的沉积形貌□ 不同(图e),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f)。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。他们利用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%,展现了良好的倍率性能。
图:a)MOF-808的离『子化后修饰过程;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
该工㊣作由潘锋指导,博士后王子奇为第一作者。以上工作得到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。
编辑:麦洛
责编:白杨
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