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【能源】阿德莱德大学乔世璋院士Angew：低成本且不可燃的共晶电解液助力高性能锌碘电池

时间：2023-08-15 来源： 浏览：

【能源】阿德莱德大学乔世璋院士Angew：低成本且不可燃的共晶电解液助力高性能锌碘电池

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水性锌基电池被认为是锂离子电池在大规模储能中的替代品。其中，可充电的锌-碘电池因碘储备丰富、高放电电压以及的高比容量而备受关注。然而， I − 的放电产物在水性电解液中容易与 I 2 结合生成高溶解度的多碘离子，包括 I 3 − 和 I 5 − ，导致严重的穿梭效应和效率下降。此外，金属锌负极在水系电解液中稳定性差，氢析出、电极腐蚀和枝晶形成等问题不可避免，严重降低了可逆性。碘正极和锌负极问题共同挑战着锌-碘电池的循环稳定性和实际可行性。
目前，提出了一些策略来优化锌-碘电池的电化学行为，如设计阳离子交换膜、开发不同的宿主材料、引入杂原子掺杂、涂覆保护层等。然而，这些策略未能解决锌负极面临的问题。电解液策略，包括凝胶或高浓度电解液，被认为对正负极均有效。然而，这些电解液设计显著增加了制造成本。作为一种新型的电解液体系，共晶电解液在能源储存领域引起了广泛关注。迄今为止，所有报道的锌电池中的共晶电解液都是基于 ZnCl 2 、Zn(CF 3 SO 3 ) 2 、Zn(TFSI) 2 等盐类，而不是ZnS O 4 •7 H 2 O。然而，Zn Cl 2 基的共晶电解液具有高腐蚀性，可能因产生有毒的 Cl 2 而带来安全隐患。对于基于Zn(CF 3 SO 3 ) 2 /Zn(TFSI ) 2 的共晶电解液，其价格较高（比 ZnS O 4 •7 H 2 O 高出200倍），严重影响了锌电池的低成本优势。因此，开发高安全性和低成本的共晶电解液非常有必要。
最近，澳大利亚 阿德莱德大学乔世璋 院士团队首次 通过使用多元醇，包括乙二醇（EG）、丙二醇（PG）和甘油，提出了一系列基于 ZnS O 4 的共晶电解液 。以 ZnS O 4 •7 H 2 O 和PG的水合共晶电解液（HEE）为例，通过分子动力学模拟和密度泛函理论计算揭示了多元醇与锌的溶剂化形成机制。与基于水的 ZnS O 4 电解液相比，HEE具有较低的 I − 溶解度，能抑制电池运行过程中 I 3 − 和 I 5 − 的形成。此外，HEE推迟了氢析出反应的起始电位并抑制了枝晶生长，保证了锌负极99.9%的高库仑效率（CE）和超过2000小时的循环寿命，即使在-30 °C的低温下也能保持1000次以上的循环，并展示出抗冻性能。与水/有机混合电解液不同，由于多元醇的高溶剂化比例，HEE是非易燃的，保持了锌电池的安全性。这种电解液还使得在苛刻的工作环境下或在大规模应用中，如高质量负载为33.3 mg c m −2 的软包电池中，锌-碘电池成为了实际可行的选择。论文第一作者为阿德莱德DECRA fellow 郝俊南 博士。

图1. ZnS O 4 基电解液的表征。
ZnS O 4 是制备锌电解液中最廉价的盐之一。然而， ZnS O 4 在有机溶剂中具有较强的离子相互作用和较差的溶解性，使得实现基于 ZnS O 4 的共晶电解液变得具有挑战性。为了拓宽其应用范围，常用的 ZnS O 4 •7 H 2 O 被溶解在不同的溶剂中（图1）。结果显示 ZnS O 4 •7 H 2 O 在纯水中具有良好的溶解性，浓度约为3.5 m（mol k g −1 ）。当溶剂改为单元醇（甲醇和乙醇）时， ZnS O 4 •7 H 2 O 的溶解性显著降低。然而，在乙二醇、丙二醇和甘油等多元醇中，其溶解性要高得多。令人惊讶的是，尽管乙二醇的分子极性较水低，但其在乙二醇中的溶解性甚至比纯水还要高 （~4.5 m）。这种异常现象表明了 ZnS O 4 •7 H 2 O 与多元醇可以形成一种独特的电解液体系。随后的Raman、FTIR、DFT、MD表明， ZnS O 4 晶体与多元醇可以路易斯酸碱的形式形成稳定的共晶体系。图2对比了 ZnS O 4 共晶体系与之前报到共晶体系的制备成本。结果表明该 ZnS O 4 共晶体系成本远远低于之前的报道。

图2. ZnS O 4 基共晶电解液的表征以及价格对比。

图3. ZnS O 4 基共晶电解液对碘正极的影响。
以 ZnS O 4 •7 H 2 O 和丙二醇的水合共晶电解液（HEE）为例，该工作详细地研究了其对碘正极（图3）和锌负极的影响（图4），结果表明，该电解液体系抑制了多碘离子包括 I 3 − 和 I 5 − 的形成以及扩散，进而抑制了碘正极的穿梭效应。此外，该电解液同时显著缓解了Zn负极的腐蚀、枝晶生成以及析氢反应，因此，在具有HEE电解液下的Zn− I 2 纽扣电池在小电流下具有很高的可逆性。即使在极高的载量下（33.3 mg c m −2 ），Zn− I 2 软包电池依旧表现出良好的循环稳定性（图5）。

图4. ZnS O 4 基共晶电解液对锌负极的影响。

图5.  ZnS O 4 基共晶电解液对锌-碘全电池的影响。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Low-cost and Non-flammable Eutectic Electrolytes for Advanced Zn– I 2 Batteries
Junnan Hao, Libei Yuan, Yilong Zhu, Xiaowan Bai, Chao Ye, Yan Jiao, Shizhang Qiao*
Angew. Chem. Int. Ed ., 2023 , DOI: 10.1002/anie.202310284
作者简介
乔世璋教授 ，澳大利亚科学院院士，现任澳大利亚阿德莱德大学化工与材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电池、电催化、光催化等。作为通讯联系人，在 Nature、Nature Energy、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials 等国际顶级期刊发表学术论文超过520篇，引用超过114,050次，h指数为173。
乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业桂冠学者（ARC Australian Industry Laureate Fellow）、2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。 乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。 同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志 EES Catalysis 的主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/ 汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家(近十年有124 篇高被引论文)。
https://www.x-mol.com/university/faculty/29675
乔世璋院士课题组电池方向招聘：博士后/博士/硕士（长期有效）
研究方向
• 电池回收 （传统锂离子电池）
• 水系电池（锌基电池或其他水系体系）
• 固态电池
• 硫电极体系电池 （锂/钠/钾硫电池，或其他硫电极体系电池）
博后要求
• 丰富的文章发表经历、扎实的电池研究背景（有电池回收经验者优先）
• 在领域内国际知名专业期刊发表过文章，工作勤奋踏实，具有团队协作精神
• 到岗时间越快越好，初始合同为一年，可延至三年
课题组优势
• 经费充足、产业化合作紧密，鼓励未来申请澳洲优秀青年基金(DECRA Fellow)
博后起薪
• 税前工资及退休金： 10.7-11.7万澳元
博士生入学要求
• 已/即将获得材料类，物理类，化学类，或者化工类优秀硕士学位毕业生；
• 第一作者在知名杂志上发表过学术论文；
• 有相关固态，水系或硫电极方面研究背景者可优先考虑
• 英语成绩达到阿德莱德大学入学标准：
   雅思成绩：平均6.5，其中听（6.0）说（6.0）读（6.0）写（6.0）or
   托福ibt：总分79，其中听（13）说（18）读（13）写（21）
奖学金情况
有多种奖学金可选（每年32500 澳元无需付税）：
• CSC（中国国家留学基金委奖学金）
• 澳大利亚国家奖学金
• 阿德莱德大学奖学金
• 项目经费直接支持的奖学金
硕士生入学要求-入学一年后优秀者可转为博士生（硕博总共4年）
• 已/即将获得材料类，物理类，化学类，或者化工类优秀本科学位毕业生；
• 英语成绩要求同博士生
• 硕士生一般需要自费一年 （容易得到签证）
有意者请将个人简历和一作文章发送给郝俊南博士、叶超博士或乔世璋教授
邮件： junnan.hao@adelaide.edu.au; chao.ye@adelaide.edu.au; 或者s.qiao@adelaide.edu.au

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