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北大潘锋团队可充放电锌离子电池及关键材料研

图:a)MOF-808的离子化后修饰过程;b)ZnMOF-808单Zn2 离子导体的结构示意图;c)MOF-808的离子化前后的NMR图谱对比;d)ZnMOF-808单Zn2 离子导体电导率的阿伦尼乌斯曲线;锌片负极在e)1 M ZnSO4电解液和f)ZnMOF-808单Zn2 离子导体中的Zn沉积形貌
锌具有最低的电化学势(-0.76V vs SHE),体积能量密度是金属锂的3倍,并且在地壳中储量丰富、环境友好,因此锌是一种理想的负极材料。与锂离子电池相比,水体系工作的锌离子电池具有更高的安全性及更低的成本,适用于大规模能量存储领域。
但是,锌负极在循环充放电的过程中比金属锂更易形成枝晶,电池短路的风险极大,因此目前实际应用的锌离子电池都是单次使用的一次电池,而非像我们手机使用的可循环充放的锂离子电池。参考锂离子电池领域,采用Zn固态电解质替代电解液有望实现Zn的均匀沉积并抑制枝晶生长,从而推广Zn金属二次电池的应用。遗憾的是,由于二价Zn2 与晶格作用较强,目前尚未发现室温下Zn2 离子电导率较高的固态材料。
北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队利用金属-有机框架材料(MOFs)具有利于离子快速迁移、高度可设计的有序孔道结构,首次研发成功基于MOFs的Zn-单离子导体固态电解质实现可稳定充放电循环的锌离子电池。相关成果发表于近期的国际材料与能源知名杂志Nano Energy(doi:j.nanoen.2018.11.038, 影响因子13.3)。
团队利用离子化后修饰及离子交换等手段,成功地制备了基于MOF-808的Zn2 固态电解质(WZM)(材料的制备过程如下图所示)。它是一种固态的单Zn2 离子导体,室温电导率高达0.21 mS∙cm-1,Zn2 离子迁移数为0.93,电化学窗口为2.20V,满足所有已知的锌离子电池正极材料。这与在电解液中的沉积形貌不同(图e),在WZM固态电解质的作用下,锌的沉积均匀、致密且没有枝晶(图f)。
通过对比研究发现,这种优良的沉积形貌得益于带负电的MOF孔道对Zn2 的限制和诱导沉积机制。他们利用WZM固态电解质组装了Zn|WAM|VS2固态电池并进行了测试。室温下250个循环后该固态电池的容量保持率为首圈的89%,展现了良好的倍率性能。
该工作由潘锋指导,博士后王子奇为第一作者。以上工作得到国家材料基因组重大专项(2016YFB0700600)、国家自然科学基金、深圳市科技创新委的资助支持。
(责任编辑:子蕊)

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