近日，郑大化工学院在水系锌基电池领域取得新进展，相关成果以“Solvent Polarity-Induced Regulation of Cation Solvation Sheaths for High-Voltage Zinc-Based Batteries with a 1.94 V Discharge Platform”为题，在国际高质量期刊《Angewandte Chemie International Edition》发表研究性论文。郑州大学化工学院为第一单位，靳绪庭副研究员为论文第一作者。其中，郑大周震教授、郑大河南先进研究院宋丽副研究员、中科院力学所刘峰副研究员和清华大学曲良体教授为共同通讯作者。
当前水系锌基电池由于其高理论容量、低成本、高安全性而受到广泛关注。然而，受限于传统水系电解质在高电压条件下较差的电化学稳定性，基于常规水系电解质的电池显示出窄电压窗口和低放电电压平台，导致低能量密度。为了解决这个问题，高浓度盐由于其宽的电化学窗口一度被认为是有前途的候选。不幸的是，这些最先进的电解质并没有有效地改善锌基电池的电压平台。锌基电池的工作电压和放电平台较低的问题也导致水系锌基电池无法与锂电池竞争。同时，高浓度也增加了电解质的粘度，阻碍了离子传输，并显著提高了成本。为了克服这些问题，我们介绍了一种新的策略，即溶剂极性诱导阳离子溶剂化鞘调控策略来构筑最大放电平台可以达到1.94 V的高压锌基电池。具体如下：1.我们利用二甲基亚砜的强极性来调节阳离子溶剂化鞘结构，制备了一种低浓度和高电压的混合电解质。在这个过程中，阳离子溶剂化结构从H2O-M-TFSI到H2O-M-DMSO (M代表锂或锌离子，TFSI:双三氟甲烷磺酰基酰亚胺负离子)。这种转变导致混合电解液体系中水分子活性显著降低。这主要可以归因于DMSO和水分子之间的强氢键以及阳离子和水分子之间的强配位。因此，即使在低浓度下，这种混合电解质也可以实现比之前报道的高浓度电解质更宽电压窗口。2.通过对不同极性有机溶剂如乙醇、乙腈、丙酮和二甲基亚砜进行研究，同时结合分子动力学模拟和实验数据显示，较高的溶剂极性可以降低锌离子/锌的氧化电位，因而将锌基电池的放电电压平台可以提高到1.9 V以上。同时，构筑的锌基电池也显示了优异的循环性能。3.微电子技术在智能医疗植入物、智能电子皮肤和无线传感器等领域的快速发展引起了对高安全性水性锌基微电池的需求。然而，已报道的水性锌基微电池的放电电压平台较低，不能满足实际需求。在这项工作中，利用我们极性诱导策略制备的混合电解液也可以将锌基微电池的放电平台提升至1.94 V，明显优于已经报道的水系锌基微电池。
溶剂极性诱导阳离子溶剂化结构调控构建高电压锌基电池
论文信息
Xuting Jin, Guobin Lai, Xinyi Xiu, Li Song,* Xiangyang Li, Chunlong Dai, Meng Li, Zhonggui Quan, Bin Tang, Gonglei Shao, Zhipan Zhang, Feng Liu,* Liangti Qu,* Zhen Zhou* Solvent Polarity-Induced Regulation of Cation Solvation Sheaths for High-Voltage Zinc-Based Batteries with a 1.94 V Discharge Platform. Angewandte Chemie International Edition, 2024, e202418682 DOI: 10.1002/anie.202418682.
链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202418682
