首页 > 行业资讯 > 南洋理工大学范红金&吉林大学杜菲AM：正极结构优化与单离子选择性膜开发协同搭建高比能水系解耦电池

南洋理工大学范红金&吉林大学杜菲AM：正极结构优化与单离子选择性膜开发协同搭建高比能水系解耦电池

时间：2023-11-14 来源：浏览：

南洋理工大学范红金&吉林大学杜菲AM：正极结构优化与单离子选择性膜开发协同搭建高比能水系解耦电池

Energist 能源学人

能源学人

微信号 energist

功能介绍能源学人，打造最具影响力的能源科技服务平台！

收录于合集

【研究背景】

水狭窄的电化学稳定性窗口使水系电池输出电压及能量密度难以取得突破。电解质解耦设计可以为正、负极提供不同的工作环境，通过两侧电解液酸碱度的调控能够有效抑制析氢氧反应，为高能量密度水系电池设计提供了更丰富的可能性。然而，解耦电池的复杂构造会导致高非活性组分占比，使能量密度优势无法充分体现。此外，商用离子交换膜面临着离子选择性不足及高成本的问题，限制了水系解耦电池的高速发展。

【工作介绍】

近日，新加坡南洋理工大学范红金教授与吉林大学杜菲教授课题组合作，通过对水系解耦Zn-S电池中两个关键部件的协同优化，实现了能量密度与续航能力的提升：在正极侧利用磁性外场诱导组装低曲折率、高硫负载电极，从而提高活性物质占比，确保高能量密度（电池的面能量密度可达到53.2 mWh cm ^-2 ）；开发新型单一钠离子选择性隔膜，通过优化配位环境及提高抑水性实现了高钠离子电导率与高钠离子选择性，将电池循环寿命从数十次提升至300次。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。吉林大学博士研究生张馨元为本文第一作者。

【内容表述】

本研究构建的水系解耦Zn-S电池在正极测基于S/Cu2S反应，在负极测基于Zn/Zn(OH)42-反应。通过四电子转移机制及电解质pH解耦，该电池设计预计可以实现1.77 V的工作电压及接近4000 Wh kg ^-1 的能量密度（基于硫的质量）。

图1. 水系解耦Zn-S电池的工作原理及能量密度对比

在硫正极纳米片自组装过程中施加磁性外场诱导硫/碳复合物纳米片沿垂直方向排列，并采用冷冻干燥法在维持纳米片排布的同时制造阵列孔结构，构建定向有序的高效电子/离子传输通道。该方法制备的低曲折率硫正极负载量可以达到 42.8 mg cm ^-2 ，由其组装的Cu-S电池面容量高达 81.8 mAh cm ^-2 。

图2. 通过定向传输通道构建制备低曲折率、高负载硫正极

为了实现水系解耦Zn-S电池的稳定循环开发新型单一钠离子选择性隔膜。应用路易斯酸碱理论调节隔膜与电解液中包含的 Na +，Cu 2+ ，OH -等关键离子之间的多种相互作用，通过调控配位环境、抑制吸水溶胀实现对钠离子的高电导率与高选择性，有效阻止 Cu 2+ 与 OH -的交叉污染与沉积。

图3. 单钠离子选择性膜的制备及表征

基于正极与隔膜的协同优化，该水系解耦Zn-S电池在正极硫负载为 19.3 mg cm ^-2 时依然可以提供 2586 Wh kg ^-1 的能量密度（基于硫的质量）。高离子选择性隔膜的开发也将电池循环寿命从使用商用离子交换膜时的数十次提升至300次。研究团队还使用水凝胶电解质组装了准固态解耦Zn-S软包电池（ 129 Wh kg _cell ^-1 ），实现了电池结构的简化及应用场景的多元化。

图4. 解耦Zn-S电池的电化学性能及应用示范

Xinyuan Zhang, Bao Zhang, Jinlin Yang, Jiawen Wu, Heng Jiang, Fei Du, Hong Jin Fan, High-Sulfur Loading and Single Ion-Selective Membranes for High-Energy and Durable Decoupled Aqueous Batteries, Advanced Materials.

https://doi.org/10.1002/adma.202307298

一文把握当前"无阳极锂金属电池"集流体界面优化进展

2023-11-08