【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質院固體所能源材料與器件制造研究部胡林華研究員團隊在水系鋅離子電池凝膠電解質研究方面取得新進展。科研人員構建了一種高電導率和強保濕性的水凝膠電解質，有效打斷了水分子團簇，增強了水的共價性，從而擴大了電化學穩定窗口，使電池能在寬溫區運行工作。相關成果發表在國際期刊Advanced Energy Materials (Adv. Energy Mater., 2024, DOI: 10.1002/aenm.202402041)上。
不可逆的電解質相變和加速的寄生反應會極大損害水系鋅離子電池的氣候適應性。由于水活性會影響電解質凝固點、電化學穩定窗口和界面鋅沉積行為，因而是改善水系電池溫度適應性的重要切入點。相比于液態電解質，水凝膠電解質具有防滲漏特性、結構穩定性和可調節的機械柔韌性，對其進行合理的結構設計后可有效抑制水活性。然而，目前所報道的電池充放電容量在極端環境條件下大都不盡人意，尤其受季節和維度因素影響嚴重，這不利于水系鋅基電池的廣泛應用。此外，蘊藏于水分子的配位環境、Zn2+溶劑化和Zn/電解質界面的耐溫機制也亟待分析。
鑒于此，固體所研究人員構建了一種 "共價增強型 "水凝膠電解質，它具有優異的界面粘附性和強大的保濕能力。水環境和Zn2+溶劑化結構被有效調節，從而導致冰點的延遲、蒸發特性的改善以及界面處副反應活性的降低，促進了電解質在各種氣候條件下的穩定運行。理論模擬分析證實了電解質機械性能的改善和Zn界面的熱力學穩定性。這些都有利于抵御枝晶并解決電極與電解液之間的接觸不良問題，使得電池具有-40~130 ?C的寬溫工作范圍，在-40~70 ?C內也能穩定運行。
該研究提出一種高電導率和強保濕性的水凝膠電解質，利用相關離子物種對水分子的錨定和鋅離子溶劑化層的調節，有效打斷水分子團簇，提升了水的共價性和穩定性，從而拓寬電化學窗口并能在寬溫區穩定工作，為極端環境下電池的運行提供了新思路。
論文第一作者為固體所博士研究生王憶凡，通訊作者為李兆乾副研究員、胡林華研究員和中南大學周江教授。該工作得到了合肥物質院院長基金的支持。
圖1. a) 電解質結構的設計和構造示意圖；b) Glu/ZC/PAM(左側)和純 ZC(右側)中的鋅沉積行為示意圖。
圖2. a) 各種電解質的傅立葉變換紅外光譜；b) 電解質在O-H伸縮振動區域的擬合拉曼光譜；c) 電解質中強H鍵和非H鍵的比例；d) 不同分子與水分子的結合能；e) 裸Zn、葡萄糖/Zn和聚丙烯酰胺/Zn吸附H+的吉布斯自由能(ΔGH)；f) 通過分子動力學模擬得出Zn2+-O1 (Glu), Zn2+-O2 (ClO4-) and Zn2+-O3 (H2O)的徑向分布函數。
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