水系鋅電池因本質(zhì)高安全性、資源豐富、比能量高、環(huán)境友好等綜合優(yōu)勢，被認(rèn)為是儲(chǔ)能規(guī)模應(yīng)用的理想技術(shù)之一，受到研究和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。水系鋅電池的工程化應(yīng)用受制于正負(fù)極、隔膜、電解液等關(guān)鍵瓶頸材料，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，亟需提升循環(huán)穩(wěn)定性等電化學(xué)性能。近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所電力儲(chǔ)能技術(shù)與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)在水系鋅電池的新材料設(shè)計(jì)、界面穩(wěn)定化等方面開展了研究。
聚焦低成本錳基正極材料，該團(tuán)隊(duì)首次提出了高可逆有機(jī)配體穩(wěn)定Mn3+、提高電池電壓的策略，開發(fā)了新型的有機(jī)配位錳正極材料，解決了傳統(tǒng)無機(jī)錳氧化物正極材料所面臨的低電壓以及Mn3+歧化/溶解反應(yīng)等問題。該研究利用超大分子量的聚丙烯酸鈉（PAL-Na）與金屬離子之間的特殊配位交聯(lián)作用，以及不可溶的羧基聚合物配體在近中性電解液中穩(wěn)定Mn3+，實(shí)現(xiàn)了Mn3+/Mn2+轉(zhuǎn)化反應(yīng)儲(chǔ)能新機(jī)理。Mn3+/Mn2+反應(yīng)不僅展現(xiàn)出高電壓1.67 V (vs. Zn2+/Zn) ，而且賦予了水系鋅金屬電池高能量密度（600 Wh/kg）和出色的循環(huán)穩(wěn)定性（4000次）。相關(guān)成果發(fā)表在Angewandte Chemie（DOI：10.1002/anie.202309430）上。
在隔膜材料方面，該團(tuán)隊(duì)通過親疏水平衡和剛?cè)嵝越Y(jié)合的創(chuàng)新性思路，設(shè)計(jì)出新型隔膜材料P/FS-Z。該材料由疏水性PTFE柔性基體、親水性SiO2納米填料和鋅鹽通過獨(dú)特的濕軋方法制備得到。P/FS-Z隔膜可實(shí)現(xiàn)高達(dá)12000 mAh/cm2的超高累積沉積容量，并在80% Zn DOD下實(shí)現(xiàn)700小時(shí)的長循環(huán)壽命。P/FS-Z隔膜完全可回收，并可用于儲(chǔ)能或者可穿戴設(shè)備的高比能軟包電池。這種新型隔膜從原材料到工藝，均滿足水系電池規(guī)模化應(yīng)用的低成本、易于量產(chǎn)的要求，推進(jìn)了(近) 中性水系鋅電池高性能低成本隔膜材料的研究。相關(guān)成果發(fā)表在Energy & Environmental Science（DOI：10.1039/d3ee01575k）上。
進(jìn)一步圍繞電解液界面調(diào)控，該團(tuán)隊(duì)原位構(gòu)建出物理-化學(xué)-電化學(xué)三方面協(xié)同調(diào)控的無機(jī)/有機(jī)界面SEI層，并通過將有機(jī)離子液體（EMIMBF4）引入無機(jī)水系電解液體系發(fā)現(xiàn)：陽離子EMIM+能在金屬電極表面優(yōu)先發(fā)生物理吸附，從而屏蔽尖端效應(yīng)；陰離子BF4-通過原位化學(xué)反應(yīng)生成無機(jī)ZnF2?SEI膜；實(shí)現(xiàn)了Zn(002)優(yōu)勢晶面的均勻電化學(xué)沉積，抑制了鋅負(fù)極的界面電化學(xué)腐蝕等副反應(yīng)，賦予了鋅金屬電池大沉積量下的長循環(huán)穩(wěn)定性以及近100%的高庫侖效率，滿足了大容量儲(chǔ)能電池工程化應(yīng)用。相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（DOI：10.1039/D3TA03501H）上。 ?
研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國科學(xué)院等的支持。