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Wangwang Xu, Ying Wang*
Nano-Micro Lett.(2019)11:90
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0322-9
路易斯安纳州立大学Ying Wang课题组对近年来关于锌离子电池的研究及其未来的方向进行了总结和展望。
典型的ZIB由可容纳锌离子的正极、锌金属负极、电解液和分离正负极的隔膜组成,与LIB的结构非常相似。在充放电过程中,锌离子在正极和负极之间移动。自1999年Volta等人首次在电池中使用锌金属作为电极以来,由于锌金属具有高容量、无毒性、相对较低的氧化还原电位(-0.76V vs SHE)、安全性高、成本低等优良性能,已被认为是一、二次锌电池的理想负极材料。近年来,锌金属正极材料,特别是锰基氧化物、钒基氧化物、聚阴离子化合物、可持续醌类化合物、普鲁士蓝类化合物等都成为研究热点,ZIBs的研发取得了重大进展。
如1图所示,锰氧化物显示出高的工作电压和较好的倍率特性。然而,由于锌离子嵌入相变过程中的Jahn-Teller效应导致Mn2+离子在循环过程中溶解,因此锰氧化物正极的循环寿命有限。电解液中的Mn2+添加剂可以抑制MnO2电极的溶解,但还需要考察适当的浓度,以平衡Mn2+的溶解和再氧化。
钒基正极中稳定的层状骨架和结构水分子有利于锌离子的快速扩散,使其具有高倍率性能和长周期寿命。然而,在水溶液中的平均工作电压仅有0.8V左右,严重制约了其实际应用。通过引入多阴离子或氟离子可以提高钒氧化物的放电电位,但这些附加基团导致分子质量增加,比容量降低。因此,提高钒基阴极的工作电压和正极的比容量是今后研究的重点。
普鲁士蓝类化合物(PBAs)可以支持高达1.5V的平均工作电压,但比容量低(50-80mAh/g),循环寿命差。PBAs由于随机分布的Fe(CN)6空位破坏了Fe-CN-M键之间的电子传导,从而导致了较差的倍率特性。因此,减少晶格缺陷对提高系统性能具有重要意义。
固态锌离子电池(SZIBs)作为一种新型的储能系统,具有安全性高、无电解液泄漏、灵活性好、成本低等显著优点。由于缺乏高锌离子传导性固态电解质,SZIBs的研究仍然受到限制。2017年,Tong等首先使用PVA/ZnCl2/MnSO4凝胶电解质和MnO2/PEDOT阴极开发了高性能的柔性准固态Zn-MnO2/PEDOT电池(图2)。制成的电池在0.37A/g时表现出282.4mAh/g的高容量,可持续循环多达300次,容量保持率为77.7%,功率密度为504.9Wh/kg,功率密度较高8.6kW/kg。此外,这种柔性电池在弯曲或扭转时,能够保持相似的放电性能,并且没有容量损失,表现出优异的机械强度。然而,由于凝胶电解质的低离子电导率和高电荷转移阻力,准固态电池相对于水溶液体系具有较低的倍率容量。
绝大多数研究使用商用锌箔作为ZIBs研究的负极。金属锌由于其安全、毒性小、理论容量高等优点,被认为是一种很有前途的水性ZIBs负极材料,但金属锌在沉积/剥离过程中不可避免地存在钝化、不可逆、腐蚀和枝晶生长等问题。此外,锌枝晶的生长在循环过程中会不断消耗水分,产生不可逆的副产物,导致ZIBs的库仑效低,容量低,循环寿命有限。随着锌枝晶的生长,锌负极的表面积增大,而随着锌阳极表面积的增大,锌负极的腐蚀和其他表面相关反应增加,导致锌阳极不断消耗,电池性能下降速度加快。锌负极上的稳定涂层可以减缓锌的溶解和枝晶的生长(图3a,b)。Liu等用浇铸法将氧化石墨烯(GO)纳米片涂覆锌金属阳极(图3c,d)。GO纳米片不仅可以防止锌中间体溶解于水溶液中,而且可以提高表面电子导电性,延长循环寿命提高倍率性能。
Ying Wang
(本文通讯作者)
美国路易斯安那州立大学
机械与工业工程系副教授
Email: ywang@lsu.edu
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