8月29日，化材學(xué)院納米催化與能源轉(zhuǎn)化研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖期刊《Angewandte Chemie International Edition》（中科院1區(qū)Top，IF=16.6）在線(xiàn)發(fā)表題為“Improved Interfacial Ion Migration and Deposition through the Chain-Liquid Synergistic Effect by a Carboxylated Hydrogel Electrolyte for Stable Zinc Metal Anodes”（基于鏈-液協(xié)同調(diào)控的含羧基水凝膠電解質(zhì)用于穩(wěn)定鋅負(fù)極）的研究論文。
水系鋅離子電容器由于安全穩(wěn)定、容量密度高、充放電速率快等優(yōu)點(diǎn)，是解決當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要儲(chǔ)能技術(shù)之一。然而，在循環(huán)過(guò)程中鋅金屬表面發(fā)生的枝晶生長(zhǎng)、析氫以及腐蝕等問(wèn)題阻礙了鋅負(fù)極在水系儲(chǔ)能中的實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，水凝膠電解質(zhì)由于兼具固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性和液態(tài)電解質(zhì)的快速離子傳輸動(dòng)力學(xué)而被研究人員提出以解決上述問(wèn)題。一些含有陰離子官能團(tuán)的聚合物網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)特的親鋅特性，可以均勻鋅離子通量分布并限制鋅表面的二維擴(kuò)散，起到抑制副反應(yīng)發(fā)生的作用。目前，鋅離子、水分子和親水聚合物鏈之間的相互作用是否對(duì)鏈-液兩相間的離子傳輸機(jī)制以及鋅沉積行為產(chǎn)生影響還不甚明晰。因此，探索協(xié)同調(diào)控水凝膠中局部液相組分和限域離子遷移鏈以保證水凝膠電解質(zhì)同時(shí)具有優(yōu)異的機(jī)械性能、穩(wěn)定的界面電化學(xué)反應(yīng)和快速的傳質(zhì)過(guò)程具有重要的研究?jī)r(jià)值。
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的含羧基雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠電解質(zhì)用于穩(wěn)定鋅負(fù)極界面電化學(xué)反應(yīng)?；阪?液協(xié)同調(diào)控機(jī)制，部分活性水分子從溶劑鞘中被排出，而剩余的配位水分子與羧基官能團(tuán)形成新的氫鍵。分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了重構(gòu)的溶劑化鋅離子可以沿聚合物鏈實(shí)現(xiàn)快速定向遷移。所提供的陽(yáng)離子遷移通道和緊密的界面相互作用可確保高離子電導(dǎo)率（13.6 mS cm–1）以及優(yōu)越的鋅離子轉(zhuǎn)移數(shù)（0.68）。此外，制備的水凝膠電解質(zhì)通過(guò)調(diào)節(jié)電化學(xué)界面之間的吸附位點(diǎn)，降低了脫溶劑化能壘并抑制析氫反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高效的鍍鋅/剝離耐久性。
基于該水凝膠電解質(zhì)組裝的Zn||Zn對(duì)稱(chēng)電池可以穩(wěn)定工作1580小時(shí)，Zn||Cu不對(duì)稱(chēng)電池可以運(yùn)行超長(zhǎng)的5600小時(shí)并保持99.9%的平均庫(kù)侖效率。最終組裝的鋅離子混合電容器在0.5 A g–1時(shí)的最大比容量為236.8 mAh g–1，經(jīng)15000次循環(huán)后容量保持率高達(dá)98.5%。該工作為用于開(kāi)發(fā)穩(wěn)定鋅負(fù)極的水凝膠電解質(zhì)提供了一種新策略。
（化材學(xué)院 王星）
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