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樊新教授、卢周广教授， Chemical Engineering Journal 观点：磺化水凝胶电解质实现无枝晶锌离子电池

时间：2024-01-04 来源：浏览：

樊新教授、卢周广教授， Chemical Engineering Journal 观点：磺化水凝胶电解质实现无枝晶锌离子电池

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文章信息

磺化水凝胶电解质实现无枝晶锌离子电池

第一作者：胡颖奇

通讯作者：樊新*，卢周广*，王文浠*

单位：桂林理工大学，南方科技大学，德国亥姆霍兹能源实验室

研究背景

水系锌离子电池(ZIBs)由于制备成本低、环境友好、高安全性和较高比容量(820 mA h g ^-1 )，被认为是最有潜力的储能电池。然而，在锌离子电池循环过程中面临着电解液中水的分解导致电解液被逐渐消耗和电池膨胀。另一方面，锌负极处由于电场的影响和“尖端放电效应”造成锌枝晶的生长。这些发生在锌负极与电解液界面处的副反应导致电池库伦效率低下和循环寿命差等问题，限制了锌离子电池的实际应用。因此，解决以上问题对锌离子电池的发展至关重要。

凝胶电解质因为其独特的高分子网络结构可以限制水分子活性以拓宽电化学稳定窗口和多功能应用等优点，在锌离子电池中也得到了广泛应用。但是未经改性的凝胶电解质的低离子电导率和较弱的机械性能限制了其在锌离子电池中的进一步应用。

本文为未来凝胶电解质的设计工作提供了方向，有助于加速水系锌离子电池领域的研究及实际应用。

文章简介

近日，来自 桂林理工大学的樊新教授与南方科技大学的卢周广教授和德国亥姆霍兹能源实验室王文浠博士 合作，在国际权威期刊 Chemical Engineering Journal 上发表题为 “Sulfonated Hydrogel Electrolyte Enables Dendrite-free Zinc-ion Batteries” 的观点文章。该观点文章将磺酸基团引入壳聚糖中，并且将磺化后的壳聚糖与聚丙烯酰胺交联成水凝胶电解质，该电解质通过分子链上的磺酸基团调控Zn ²⁺ 的溶剂化结构和抑制电解质中自由水的分解。

图1. 半固态电解质的制备示意图

图2. b) 壳聚糖、磺化壳聚糖和磺化壳聚糖/聚丙烯酰胺的红外光谱图；c) SCS的SEM图像；d) 力学拉伸性能图

▲这种水凝胶电解质含有连续的网状结构和相互连接的孔隙，在提高机械强度的同时，兼具丰富的离子传输隧道结构。

图3 (a)Tafel图；(b)不同电解质的库伦效率图；(c)SCS对应的电压-容量图；(d)不同电解质的锌沉积CV图；(e)恒定电压下电流随时间变化图；(f)对称电池的时间-电压图；(g)不同电流密度下的电压-时间变化图。

▲磺酸基团引入到凝胶电解质的分子链上可以提高其抗电化学腐蚀强度，有利于提高锌离子电池在循环过程中的稳定性，抑制锌枝晶的生长。同时，引入磺酸基团可提高SCS凝胶电解质的沉积过电位和缩短锌离子分散过程。在Zn//Zn对称电池中SCS凝胶电解质可以稳定循环超过2600h。

图4 循环100圈后的锌负极表面图(a)SCS；(b)CS；(c)ZnSO ₄ ；和对应的共聚焦显微镜图(d)SCS；(e)CS；(f)ZnSO ₄ ；锌负极循环过程中界面处的变化图(g)SCS；(h)ZnSO ₄ ；(i)不同电解质的Zn ²⁺ 沉积机理示意图。

▲在凝胶电解质中引入磺酸基团以后，Zn ²⁺ 在锌负极表面处的沉积形貌更加均匀和光滑，磺酸基团可有效诱导Zn ²⁺ 均匀沉积。

图5 组装成NH ₄ V ₄ O ₁₀ //Zn全电池测试图：(a)凝胶电解质的CV图；(b)凝胶电解质的倍率性能图；(c)SCS电解质在不同电流密度下的电压-容量图；(d)不同电解质在1A/g电流密度下的循环性能图和(e)对应的不同圈数下的电压-容量图；(f)不同电解质在3 A/g的电流密度下的循环性能图。

▲引入磺酸基团到凝胶电解质中以后，SCS所受到的极化影响更小并且倍率性能也更好。在进行长循环测试后，SCS电解质的容量保留也更高，磺酸基团引入到凝胶电解质中可以有效改善锌离子电池的循环寿命。

图6 组装成MnO2//Zn柔性电池的测试：(a)组装成柔性电池的循环性能图和柔性电池示意图；(b)柔性电池在不同弯曲角度下的循环图；(c)柔性电池在弯曲状态下的充放电曲线图；(d)柔性电池抗外力测试图。

▲使用SCS凝胶电解质的柔性电池可以轻松满足在不同弯曲角度下的充放电过程，并且没有明显的电压波动。同时，柔性电池在裁剪、剪断等测试中没有电解质的泄露，并且能够持续为LED灯供电，证明凝胶电解质在柔性器件的应用中十分具有潜力。

文章链接

Sulfonated Hydrogel Electrolyte Enables Dendrite-free Zinc-ion Batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472306494X?dgcid=author

通讯作者简介

樊新教授简介：2000年本科毕业于中南大学化学化工学院应用化学专业，2007年硕士毕业于中南大学化学化工学院应用化学专业，2010年博士毕业于中南大学粉末冶金研究院材料物理与化学专业，随后加入桂林理工大学，现为材料科学与工程学院教授。长期从事电极材料的设计、合成及其在能量储存与转化中的应用。迄今，以第一/通讯作者在Chem. Eng. J.、Carbon，Appl. Surf. Sci.、Mater. Chem. Front.、Batteries & Supercaps、Colloid Polym. Sci.、Mater. Tech.、Front. Mater. Sci.、Polymers、Chem. Phys. Lett.、Org. Electron.、高分子材料科学与工程、Chin. J. Chem.、RSC Adv.等国内外重要学术刊物上发表了研究论文30余篇。授权中国发明专利21项。

卢周广 教授简介：卢周广教授主要从事先进能源材料的分子设计、精准合成、结构调控和电化学反应机理研究。研究重点是锂/钠离子电池、金属空气电池用新型电极材料和固态电解质材料的合成及电化学反应机理，微纳米化学电源器件的组装和应用，以及固体废弃物的循环回收及其在制备新能源材料中的应用研究。研究亮点是电化学反应中间体的演化机理和调控研究。现任材料科学与工程系长聘教授，深圳市鹏城学者特聘教授，英国皇家化学会会士(FRSC)，福布赖特(Fulbright)学者，深圳市孔雀计划高层次B类人才。2021年入选全球前2%顶尖科学家榜单。2012年迄今在Nature Communications, Journal of the American Chemical Society和Angewandte Chemie International Edition等国际一流学术期刊发表SCI论文260多篇，总他引一万多次，H指数62，在国内外重要学术会议作特邀报告20多次。

申请和授权国家发明专利三十多项，主持科研项目十多项。获得2017年度南方科技大学卓越科研奖，2016年度南方科技大学青年科研奖。长期担任Nature Energy, Nature Communications，Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chemie International Edition和Advanced Materials等知名学术期刊论文评审人。现任Nano Research、稀有金属和材料研究与应用等期刊编委或青年编委，中国储能与动力电池及其材料专业委员会副秘书长，广东省锂离子动力和储能电池先进制造产业技术创新联盟理事。