香港城大支春义课题组:非金属碲负极助力高性能中性/碱性锌电池

香港城大支春义课题组:非金属碲负极助力高性能中性/碱性锌电池【研究背景】

水系锌离子电池 (ZIBs) 由于锌金属负极的优点(高理论容量 800 mAh g-1 和低氧化还原电位 -0.76 V vs. SHE)和水系电解质高安全性,近些年颇受关注。然而,水系电解质也会导致锌负极产生严重的副反应,如枝晶、腐蚀和析氢反应 (HER)。这些问题明显降低了锌负极的库仑效率和循环寿命,阻碍了 ZIBs 的实际应用。目前已经有多种策略被开发来解决上述问题(主要是通过调控离子转移和沉积行为),包括在锌金属上构建保护层或固体电解质界面,开发新的集流体,或使用宽电化学窗口的电解质(例如“高浓盐”、离子液体、有机或固体电解质)。上述策略都在一定程度上提高了锌金属基 ZIBs 的循环寿命,但是锌金属本身的问题仍然存在,尤其是当面对高正极负载量的情况下,负极的副反应难以抑制。此外,目前所有报道的 ZIBs 都使用了过量的 Zn 金属,导致负极利用率低(通常<10%),严重降低了整个电池装置的重量容量和能量密度。


用非金属负极代替金属锌负极可以成为消除锌金属这些副反应的高效策略。理想的非锌金属负极应满足以下条件要求:还原电位接近 Zn2+/Zn 的电位,与Zn2+ 反应的效率高,容量高,与水性环境相容性好。目前为止,ZIBs 中的非金属负极都以插层型材料为主,包括Mo6S8, Na0.14TiS2 和 PTCDI等。这些负极由于它们的嵌入反应机理导致其相对较低的比容量和不稳定的输出电位,因此以这些材料组装成的全电池的容量和循环寿命并不令人满意(容量通常低于 80 mAh g-1,循环低于300圈)。相比之下,具有高比容量和稳定输出电压的基于转换机理的负极具有巨大潜力,但这方面却从未有报道。因此,迫切需要寻求一种基于转换机制的非锌金属负极以实现 ZIBs 的性能增强和稳定性优化。


【工作介绍】

近日,香港城市大学支春义课题组等人利用硫族元素碲(Te)作为转换型负极来构建新型无锌的水性 ZIBs。由于 Te 在水系环境中的高电导率 (2 × 102 S m-1) 和出色的稳定性,两种不同的转化过程(Te 到 ZnTe2 到 ZnTe(中性)和 TeO2 到 Te 到 ZnTe(碱性))被成功应用到ZIBs。而随后对正负极容量进行匹配得到的 Te/MnO2 和 Te/Ni(OH)2 全电池可以输出高放电容量,分别高达 106 和 161 mAh g-1,并且伴随着高负极利用率(高达 50.1% (Te/MnO2) 和 38.9% (Te/Ni(OH)2))。由于 Te 负极具有适中的氧化还原电位(温和电解质中为 -0.02 V vs. SHE,碱性电解质中为 -0.63 V vs. SHE),其彻底消除了锌枝晶和 HER 问题,实现了超长循环寿命(5000 次循环后容量保持率 >75%)。此外,全电池也能够输出高能量密度:176.3 Wh kg-1(Te/Ni(OH)2)和 81 Wh Kg-1(Te/MnO2)。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。陈泽为本文第一作者, 支春义教授为本文唯一通讯作者。


【内容表述】

香港城大支春义课题组:非金属碲负极助力高性能中性/碱性锌电池

图1. Te 负极的材料表征。

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图2. 中性 Te/MnO2 电池的电化学性能以及反应机理表征。

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图3. 碱性 Te/Ni(OH)2 电池的电化学性能。

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图4. 碱性 Te/Ni(OH)2 电池的反应机理表征。

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图5. Te 基 ZIBs 的抑制产气性能,负极利用率以及同其他 ZIBs的性能比较。


Chen, Z., Li, C., Yang, Q., Wang, D., Li, X., Huang, Z., Liang, G., Chen, A. and Zhi, C. (2021), Conversion-type Non-metal Elemental Tellurium Anode with High Utilization for Mild/alkaline Zinc Batteries. Adv. Mater., 2105426. https://doi.org/10.1002/adma.202105426


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参考文献: