AFM 用于锌离子电容器软包电池的“双重保险”共晶电解质

文章摘要

共晶电解质具有较高的电化学稳定性和环境友好性，是满足水系锌离子电容器(AZICs)需求的新兴电解质。值得注意的是，对于实用的AZIC的大规模需求已经得到解决，以平衡良好的性能和增加封装尺寸。因此，英属哥伦比亚大学Jian Liu & Xuejun Lu通过在朝性锌盐水溶液中依次引入重水(D2O)和二甲基亚砜，提出了一种“双重保险”共晶电解质(DIEE)，与缺乏这种双重溶剂保护的锌阳极相比，它可以防止锌阳极的严重不可逆性。例如，最优的DIEE在0.5 A g-1时提供了352.9 F g-1的高电容，在2 A g-1的情况下，在软包电池中实现了30000次循环，电容保持率≈100%，并显示出在低温下工作的能力。此外，实验(如核磁共振光谱、拉曼光谱、双层电容量等)和理论技术(如分子动力学模拟、密度泛函理论)说明了接触离子对和聚集离子物种的重要存在。最终，这种采用“双重保险”保护的高效DIEE系统为为AZICs化学设计新型共晶电解质提供了一个有前途的方向。

图文速递

图1：H2O/D2O共晶电解质中Zn2+溶剂化结构的表征

MD模拟a)5Zn_H和b)5Zn_H-D的快照。Zn-O和H-O的RDFs和相应的c)，e)5Zn_H和d)，f)5Zn_H-D的CNs。提出的ESP图所代表的Zn2+配位结构的变化，以及5Zn_H和5Zn_H-D的DFT所计算的结合能值。h)H2O/D2O基共晶电解质的1H和i)17O核磁共振谱。根据反褶积图，得到j)Cl-O (ClO4-)和(l)O-H拉伸(H2O-D2O)区域的拉曼光谱，以及k)AGGs/CIPs和m)P1/P2/P3物种的面积比。

图2

使用H2O和D2O共晶电解质的AZICs的电化学性能，包括a)CV和b)GCD剖面。c)使用5Zn_H、5Zn_H-D和5Zn_D的AZIC纽扣电池的循环性能。d)分别使用5Zn_H和5Zn_H-D共晶电解质进行自放电测试。e)5Zn_H和5Zn_H-D的DSC扫描。f)AZIC纽扣电池在-20℃下测试，使用5Zn_H-D电解质的软包电池在不同温度下测量g)CV和h)GCD曲线。i)使用5Zn_H-D的软包电池在1 A g-1下的循环能力。

图3

1Zn_H-D/DMSO电解质的a)Zn-O和b)Zn-C和Zn-Cl RDFs和相应的CNs。本文提出的Zn2+的溶剂化结构和种类占比分别为c)和d)。e)由1Zn_H-D/DMSO的DFT计算的具有代表性溶剂化结构(种)的ESP图和结合能值。f)5Zn_H、1Zn_H/DMSO和1Zn_H-D/DMSO的1H和g)17O NMR谱。h)针对软包电池实际优化提出的利用策略和优点示意图。

图4

a)EDLC测量，b)Zn||Zn电池的速率能力，c)分别在1Zn_H/DMSO和1Zn_H-D/DMSO电解质中的自放电测试。d)使用1Zn_H-D/DMSO电解质放大电极面积为3×3 cm2的软包电池图像。e)5Zn_H-D、1Zn_H/DMSO和1Zn_H-D/DMSO电解质软包电池的CV和f)GCD谱。g)按比例放大的单层和双层设计袋电池模型。h)5Zn_H-D和1Zn_H-D/DMSO电解质对应的双层软包电池的CV和i)GCD曲线。j)使用1Zn_H-D/DMSO电解质的放大一层软包电池在2 A g-1下的循环性能，插图：输出软包电池的通电风扇和LED图像。

图5

a)恒定过电位-200 mV下Zn||Zn电池的CA曲线。b)扫描速率为10 mV s-1时Zn沉积/溶解的CV图，c)0.2 mA cm-2,0.2 mAh cm-2和e)1 mA cm-2,1 mAh cm-2 下1Zn_H/DMSO和1Zn_H-D/DMSO电解液中的恒流镀锌/剥锌，以及相应的d)50次循环后重新获得的Zn阳极的SEM图像。f)在5Zn_H、5Zn_H-D、1Zn_H/DMSO电解液中使用原位OM分别在10 mA cm-2电流密度下40 min和60 min的Zn阳极沉积形貌。g)Zn2+在5Zn_H(上)和DIEEs(下)中的溶剂化结构及其界面反应示意图。

研究结论

为了提高实际AZIC软包电池的通用性能，本文提出了一种DIEE，其中D2O和DMSO的重复溶剂与水基共晶电解质很好地配合，利用同位素和H键效应。由此得到的1Zn_H-D/DMSO实例在与实际应用的EES器件的高兼容性、低温保存能力、锌阳极稳定性的显著贡献等方面表现出较高的物理化学和电化学稳定性。例如，1Zn_H-D/DMSO电解质不仅使Zn电极在0.2 mA cm-2(0.2 mAh cm-2)和1 mA cm-2(1 mAh cm-2)的对称Zn|Zn电池上的循环寿命分别超过1500 h，而且在0.5 A g-1时显示出352.9 F g-1的高电容，在2 A g-1时显示出出色的电容保持≈100%。MD和DFT计算表明，该DIEE电解质体系具有多种Zn2+溶剂化结构，主要以低结合能的CIPs和AGGs离子为主。因此，在DIEEs低温操作中的潜在应用可以进一步启发和拓宽其他EES器件化学混合水基共晶电解质设计的视野。

文献链接

“Duet-Insurance” Eutectic Electrolytes for Zinc-Ion Capacitor Pouch Cells

Xuejun Lu*，Li Tao，Keqi Qu，Amardeep Amardeep，Jian Liu*

https://doi.org/10.1002/adfm.202211736