大連化物所提出離子載體構(gòu)建自優(yōu)化鋅負(fù)極的新策略

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室無(wú)機(jī)膜與催化新材料研究組研究員楊維慎和副研究員朱凱月團(tuán)隊(duì)，在水系鋅離子電池負(fù)極研究方面取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)采用可循環(huán)的動(dòng)態(tài)MOF納米片作為鋅離子的運(yùn)輸載體，在電池充放電循環(huán)過程中持續(xù)誘導(dǎo)Zn(002)生成，使得鋅負(fù)極表面呈現(xiàn)出有利的(002)晶面取向，并有效地抑制了枝晶和副產(chǎn)物的生成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱電池穩(wěn)定循環(huán)超過6900小時(shí)。注冊(cè)儀表網(wǎng)，馬上發(fā)布/獲取信息

水系鋅離子電池以高安全性、低成本及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，在大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域頗具潛力。然而，由于鋅離子的無(wú)序沉積行為，負(fù)極的可逆性受到限制，阻礙了鋅離子電池的商業(yè)化應(yīng)用。這種無(wú)序沉積行為源于電池體系中電場(chǎng)、基底和鋅離子通量之間的強(qiáng)相互依賴性和對(duì)體系內(nèi)微小擾動(dòng)的敏感性。

本工作引入具有較大質(zhì)荷比的鋅離子運(yùn)輸載體，實(shí)現(xiàn)了離子通量與電場(chǎng)基底的不均勻性解耦。這一策略為克服鋅枝晶和副反應(yīng)問題提供了新途徑。

研究發(fā)現(xiàn)：MOF納米片中由于其與鋅離子的吸附特性以及一維孔道結(jié)構(gòu)，在電場(chǎng)下具有遷移能力；鋅離子與配體的弱配位作用使得其具有獨(dú)特的電還原化學(xué)性質(zhì)，因而可作為動(dòng)態(tài)循環(huán)的鋅離子載體。綜合表征和實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了動(dòng)態(tài)MOF納米片在循環(huán)過程中對(duì)優(yōu)化鋅負(fù)極的關(guān)鍵作用。具體而言，鋅電極逐漸被重構(gòu)為水平排列的片層形態(tài)，呈現(xiàn)出高度增強(qiáng)的(002)晶面，(002)織構(gòu)系數(shù)（RCT）達(dá)到96.9（理論最高值為100）。這種鋅負(fù)極形貌和晶面結(jié)構(gòu)的重構(gòu)優(yōu)化被證明源于MOF納米片的約束效應(yīng)，使鋅離子水平排列。此外，負(fù)極表面副產(chǎn)物的消除得益于MOF配體的特性，能夠自主將副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為有用的MOF納米片。因此，MOF納米片作用下的Zn||Zn對(duì)稱電池和Zn||(NH₄)₂V₁₀O₂₅·8H₂O全電池在低倍率和高倍率下均表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。

該工作提出了新型而高效的優(yōu)化鋅離子電池負(fù)極的策略。這類“離子載體”策略可適用于多種MOF配體、基底和電解質(zhì)，具有潛在的擴(kuò)展性，可應(yīng)用于其他可充電金屬電池中，以提高負(fù)極的可逆性。相關(guān)研究成果以MOF Nanosheets as Ion Carriers for Self-Optimized Zinc Anode為題，發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy Environmental Science）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和大連化物所創(chuàng)新基金等的支持。