【科技】海南大学史晓东田新龙教授AEM矿物质基无机胶体电解质保障水系锌锰电池正负极双界面稳定性

储能科学与技术2024-12-04

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202405387第一作者：周传聪，许真铭（南京航空航天大学）通讯作者：史晓东，田新龙通讯单位：海南大学研究背景水系锌锰电池因其低成本、高工作电压和高能量密度而受到广泛关注。然而，锌锰电池在实际应用中受到诸多因素的限制，如在循环过程中，锌负极/电解质界面形成的锌枝晶，以及锰正极/电解质界面发生的不可逆锰溶解，这些问题严重降低了电池...

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MAS-Colloid对AZMBs锌负极和MnO2正极的作用机制图；(b) 铝、镁、硅、氧和总元素的态密度(DOS)；(c) MAS晶体结构中锌离子的扩散能垒和扩散路径(c1-c2)；(d) MAS 晶体结构中锰离子的扩散能垒和相应的扩散路径(d1-d2)；(e) MAS晶体结构中水分子、锌离子和锰离子的结合能及相应的结合结构(e1-e3)。图 2 (a) XRD图谱；(b) XPS图谱；(c-d) 液体电解质和不同浓度(20 - 40%)的MAS-Colloid的傅里叶变换红外光谱以及(e-g)拉曼光谱；(h) Zn2+离子在MAS-Colloid和液体电解质中的溶剂化结构示意图。图 3 (a) Zn//Ti半电池的LSV曲线；(b) 不同电解质的离子电导率；(c) Tafel曲线；(d) CA曲线；(e) Zn//Zn对称电池的活化能垒；(f) Zn//Zn对称电池在MAS-Colloid中的原位pH变化曲线；(g) Zn//Zn 对称电池的长循环性能；(h) Zn//Zn对称电池的倍率性能。图4 Zn//α-MnO2电池在MAS-Colloid和液态电解液中的 (a) CV曲线和(b) Nyquist图；(c) Zn//α-MnO2电池在MAS-Colloid电解质中的充放电曲线；(d) Zn//α-MnO2电池在MAS-Colloid和液态电解液中的倍率性能；Zn//α-MnO2电池在(e) 0.2 A g-1和(f) 1 A g-1下的长循环性能；Zn//α-MnO2电池在(g) MAS-Colloid和(h)液态电解液中的自放电能力；(i) 在-5℃下MAS-Colloid和液态电解液的长循环性能。图5 α-MnO2正极在(a) MAS-Colloid和(b)液体电解质中的原位拉曼光谱；α-MnO2正极在(c)MAS-Colloid和(d)液体电解质中的原位XRD谱图；α-MnO2正极在(e) MAS-Colloid和(f)液体电解质中完全放电/充电状态下的高分辨Mn 2p光谱；(g) MAS-Colloid中α-MnO2正极完全放电/充电时的高分辨Zn 2p光谱；(h) α-MnO2正极在MAS-Colloid和液体电解质中循环10圈后的高分辨率Mn 2p光谱。研究结论以矿物质硅酸镁铝(MAS)为原料，利用其层状晶体结构、电子绝缘性和Zn2+/Mn2+离子导体等特性，制备了适用于Zn//α-MnO2电池体系的无机胶体电解质。根据理论计算和实验结果表明，硅酸镁铝对活性H2O分子具有空间约束效应，减少了结构水分子含量，有效遏制了活性H2O分子所引发的界面副反应；硅酸镁铝重塑了锌离子的溶剂化结构，加速了脱溶剂化过程。MAS-Colloid具有高离子电导率、宽电压窗口、低活化能垒以及稳定的pH环境，有利于稳定界面反应。在锌负极侧，MAS-Colloid保证了快速脱溶剂化，促进了锌离子的可逆沉积/剥离。在α-MnO2正极侧，MAS-Colloid的空间约束效应极大地降低了H2O分子的活性，稳定了界面反应并抑制了锰的溶解。受益于这些优点，Zn//Zn电池在0.2 mA cm-2的电流密度下实现了长达3500 h的超稳定循环行为，Zn//α-MnO2电池在1 A g-1的电流密度下经过200次循环后仍具有168.4 mAh g-1的高容量，容量保持率为84%。该项工作为矿物质基无机胶体电解质的积极作用提供了新的证据。通讯作者介绍史晓东，海南大学海洋科学与工程学院副教授，博士生导师，海南省拔尖人才。本科毕业于重庆大学，硕士师从中南大学赖延清教授，博士师从中南大学梁叔全教授。2022年6月加入海南大学田新龙教授团队，从事水系锌基二次电池应用基础研究工作。近5年，以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Adv. Energy Mater. (3篇)、Adv. Funct. Mater. (3篇)等期刊发表SCI论文15篇，申请国家发明专利14项，主持国家自然科学基金青年基金、海南省先进装备制造首台套试点示范项目、海南省外国专家项目和国家能源集团海南电力有限公司科技项目等；担任Chin. Chem. Lett.、Adv. Powder Mater.等期刊青年编委，荣获Nano Mater. Sci.和Microstructures期刊2023年度优秀青年编委。田新龙，海南大学研究生院副院长（主持工作），国家青年拔尖人才；海南大学海洋清洁能源创新团队负责人，团队获2022年海南省自然科学奖一等奖和2023年海南青年五四奖章集体；担任海南省电化学储能与能量转换重点实验室副主任、智慧海洋能源与深海资源开发工程研究中心副主任；长期从事电化学能量转换与存储领域的应用基础研究，包括氢燃料电池、海水制氢和海水电池等。以第一/通讯作者在Science等学术期刊上发表SCI论文120余篇；主持国家级项目5项，授权国家发明专利18项、美国发明专利1项；担任J. Energy Chem., eScience, Carbon Energy等期刊青年编委；获得《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人”、侯德榜化工科学技术青年奖、海南青年科技奖、海南青年五四奖章（2022）等荣誉。邮发代号：80-732联系热线：010-64519601/9602/9643投稿网址：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml\n\n\n海量资讯、精准解读，尽在新浪财经APP","kind":"news","is_publish_news":true,"is_publish_highlight":false,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":1,"need_auth":false,"code":"91000000","status":"200"},"commentList":[],"isCommentEnd":true,"newsSizeData":{"likeSize":0,"commentSize":0,"repostSize":0,"favoriteSize":0,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false},"APP":{"userAgent":"Mozilla/5.0 AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko; compatible; ClaudeBot/1.0; +claudebot@anthropic.com)","isDev":false,"isTTM":false,"tenantId":"TBCN","deviceId":"web-server-community-laohu8-v3","version":"4.36.2","shortVersion":"4.36.2","platform":"web","vendor":"web","appName":"laohu8","isIOS":false,"isAndroid":false,"isTiger":false,"isTHS":false,"isWeiXin":false,"isWeiXinMini":false,"isWeiBo":false,"isQQ":false,"isBaiduSwan":false,"isBaiduBox":false,"isDingTalk":false,"isToutiao":false,"isOnePlus":false,"isHuaWei":false,"isXiaomi":false,"isXiaomiWebView":false,"isOppo":false,"isVivo":false,"isSamsung":false,"isMobile":false},"href":"/m/news/2488131033","isCrawlerRequest":true}