烟台大学：用藻酸盐基水凝胶电解质建立高性能准固态Zn/I2电池

【科研摘要】

锌碘（Zn/I2）电池由于在两个电极上均具有高容量的溶解-沉积反应，因此被认为是大规模储能系统的领先候选材料。但是，三碘离子（I3-）的失控和锌阳极上不利的副反应严重限制了Zn/I2电池的使用寿命。

最近，烟台大学康利涛副教授/姜付义教授团队通过离子交换和Zn2+诱导的交联来设计和合成基于藻酸盐的聚阴离子水凝胶电解质。水凝胶骨架上固定的，带负电荷的聚阴离子链有效地阻止了I3–穿梭，同时传输了对于电池化学必不可少的阳离子。此外，这种水凝胶还可以通过减轻Zn的树枝状生长和腐蚀反应来增强Zn阳极的循环耐久性，这归因于均匀的Zn2+助熔剂和减少的游离水与金属Zn之间的界面接触。

因此，这种基于藻酸盐的水凝胶电解质能够在2 mA cm-2和2 mAh cm-2（相当于10％的放电深度）下稳定地进行Zn电镀/剥离超过600小时。作为Zn/I2充满电池的电解质，这种水凝胶有助于电池在0.2 A g–1的200次循环后达到183.4 mAh g–1的高容量（容量保持率= 97.6％），比其高77.4％。相当于传统的ZnSO4水溶液（剩余容量= 41.5 mAh g-1）。这项工作表明了电解质设计在改善水性Zn/I2电池性能方面的潜力。相关论文以题为Establishing High-Performance Quasi-Solid Zn/I2 Batteries with Alginate-Based Hydrogel Electrolytes发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

【科研摘要】

图1.（a）Zn2+交联的藻酸盐基水凝胶示意图，以及（b）带有藻酸盐基水凝胶电解质的Zn/I2电池的工作原理。

图2.在（a）扭曲和（b）承载状态下基于藻酸盐的水凝胶电解质的照片。（c）基于藻酸盐的水凝胶电解质的横截面SEM图像，（d）Zn作图，（e）EIS图和（f）LSV曲线。（g）藻酸盐基水凝胶电解质和ZnSO4电解质中Zn电极的Tafel曲线。（h）在（i）ZnSO4和（j）水凝胶电解质中的新鲜和静态腐蚀的锌箔的SEM图像。

图3.（a）Zn /水凝胶/Zn电池在各种电流密度下的电压曲线。（b）在ZnSO4或水凝胶电解质中，电流密度为2 mA cm-2时，对称Zn/Zn电池的长期稳定性。（c，d）（c）ZnSO 4和（d）水凝胶电解质中的Zn镀/剥离电压曲线。（e）在1 mA cm–2和0.05 mAh cm–2的ZnSO4或水凝胶电解质中，经过300次剥离/镀覆循环后，新鲜Zn和Zn电极的XRD图谱。

图4.（a）扫描速度为5 mV/s的含ZnSO4或水凝胶电解质的Zn/I2电池的CV曲线。（b）具有0.2至5 mV s-1的不同扫描速率的CV曲线。（c）峰值电流与扫描速率的平方根的线性拟合。（d–g）在1 A g–1下使用ZnSO4（d，f）或水凝胶电解质（e，g）的Zn/I2电池的充放电循环和自放电测试。（h）用GF分离器或水凝胶电解质分离的深棕色三碘化物溶液（即1 M KI + 0.1 M I2，左槽）和无色0.5 M KI溶液（右槽）的H型槽的照片。

图5.（a）具有水凝胶电解质的Zn/I2电池的速率性能和（b）充放电曲线。（c）具有ZnSO4或水凝胶电解质的Zn/I2电池在0.2 A g-1下的循环性能和CE。（e）在1 A g-1的电流密度下，水凝胶电解质Zn/I2电池的循环性能和CEs。

【总结】

团队在柔性藻酸盐基水凝胶电解质的帮助下开发了一种高性能，低成本的准固态Zn/I2电池。水凝胶电解质不仅减轻了锌阳极上的有害腐蚀和枝晶生长反应，而且还减轻了I3-在阴极侧穿梭的毒性。得益于这种水凝胶电解质的多方面优点，所得的准固态Zn/I2电池可同时实现高容量（在0.2 A g–1时为188.0–214.7 mAh g–1），高CE（99.3–99.5％），以及长期的循环稳定性（在2 A g–1的2000次循环后，容量保持率为66.8％）。这项工作为实现高性能水性Zn/I2电池提供了一种新方法。

参考文献：doi.org/10.1021/acsami.1c03804

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