水系鋅離子電池的高安全性、低成本、高體積比能量和環(huán)境友好，被認為在電網(wǎng)儲能系統(tǒng)與可穿戴設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景?；谫|(zhì)子反應(yīng)和Mn2+沉積/溶解機制的二氧化錳正極因高理論容量和高氧化還原電位，是最具產(chǎn)業(yè)化潛力的鋅錳電池正極材料。然而，水系鋅離子電池中質(zhì)子參與二氧化錳反應(yīng)會導(dǎo)致一系列問題，如堿式硫酸鋅的生成、電解液pH值劇烈波動、電解質(zhì)消耗等，從而導(dǎo)致電池反應(yīng)動力學(xué)迅速下降、電池容量降低、循環(huán)壽命降低等問題。
圖1 SATP/MnO2反應(yīng)過程示意圖
催化領(lǐng)域中的固體酸可以通過固相反應(yīng)將質(zhì)子反應(yīng)限制在固體酸表面。將其與二氧化錳復(fù)合，不僅為二氧化錳反應(yīng)提供質(zhì)子，還可以將質(zhì)子反應(yīng)限制在固體酸和二氧化錳界面，減少電解液質(zhì)子消耗。近日，環(huán)境與材料工程學(xué)院姜付義教授團隊在自然指數(shù)期刊Advanced Functional Materials（IF：19）上發(fā)表題為《Proton Self-Limiting Effect of Solid Acids Boosts Electrochemical Performance of Zinc-ion Batteries》的學(xué)術(shù)論文。該工作選取了工業(yè)催化中常用的固體酸磺酸型聚苯乙烯-二乙烯基苯（SATP），通過一步水熱法合成了SATP/MnO2混合物，并組裝了Zn//SATP/MnO2電池。電化學(xué)測試結(jié)果表明，SATP的引入顯著提高了鋅錳電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。通過原位pH、原位X射線粉末衍射、非原位XPS、高分辨透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等手段，研究了SATP對二氧化錳反應(yīng)機制的影響，結(jié)果表明，SATP可以作為一種新的質(zhì)子源，為二氧化錳反應(yīng)提供和吸收質(zhì)子，并且將部分質(zhì)子反應(yīng)限制在SATP/MnO2界面處，從而提高了放電階段MnO2的溶解、減少堿式硫酸鋅的生成、加快了MnO2的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。該工作為研發(fā)高性能水系Zn-MnO2電池提供了一種新的思路。
該論文以煙臺大學(xué)為第一單位，碩士研究生陳夢婷為第一作者，姜付義教授、劉文寶博士及清華大學(xué)康飛宇教授為論文通訊作者，相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202404983
來稿時間：5月10日 審核：劉希斌 責(zé)任編輯：安興爽
