首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
精选内容/技术社群/优惠产品,尽在小程序
立即前往

华南理工梁振兴/宋慧宇AFM: β- 二酮添加剂 Zn (acac)₂:水系锌离子电池中双电层重构的创新策略及其卓越性能提升

文章总结

研究背景:AZIBs 因安全、成本低等优点在大规模储能领域潜力巨大,但双电层(EDL)不稳定引发的副反应,导致阳极电解质界面(AEI)不稳定,限制了其应用。通过优化电解质重构 EDL,减少水和硫酸根离子,对实现可逆锌阳极至关重要 。

实验设计:将具有 β- 二酮结构的乙酰丙酮锌(Zn (acac)₂)添加到 2M ZnSO₄电解质中,对比研究添加前后电解质的性质及电池性能,采用 Raman、FTIR、XPS 等多种测试手段和 COMSOL 模拟进行分析。

实验结果

电解质与电极相互作用:Zn (acac)₂不改变 Zn²⁺溶剂化结构,但 acac 优先吸附在 Zn 阳极,使 EDLC 降低,接触角减小,证明 EDL 重构。同时,添加 Zn (acac)₂的电解质提高了 Zn 电极的腐蚀电位,降低腐蚀电流密度,抑制 HER 和 OER,减少副产物生成,提升了电极的抗腐蚀性能。

锌沉积行为:Zn (acac)₂使 Zn²⁺成核过电位升高,抑制其二维扩散,实现稳定的三维扩散,使沉积更均匀。COMSOL 模拟和 3D CLSM 结果表明,添加 Zn (acac)₂的电解质电场和浓度分布更均匀,Zn 生长更平滑,有效抑制枝晶生长。

界面膜特性:XPS、Raman 等表征显示,Zn (acac)₂促进形成含 acac 和少硫成分的 SEI 膜,降低界面阻抗,提高稳定性。该 SEI 膜能排除 EDL 中的水和硫酸根离子,减少副反应,使 AEI 更稳定。

电池性能提升:使用含 Zn (acac)₂电解质的 Zn//Zn 对称电池循环超 3000h,Zn//Cu 非对称电池库仑效率达 99.55% 并稳定维持超 2400h。Zn//NH₄V₄O₁₀全电池在不同电流密度下,含 Zn (acac)₂电解质的电池倍率性能和循环稳定性显著优于不含添加剂的电池,如在 5A g⁻¹ 下循环 4500 次容量保持率为 74.51% 。

研究结论:Zn (acac)₂作为电解质添加剂,通过重构 EDL,排除水和硫酸根离子,促进稳定 AEI 和均匀锌沉积,形成有利的 SEI 膜,显著提升电池性能,为锌基储能应用提供了有效策略。

图文简介

(a)、(b)分别为 ZnSO₄和 ZAH 电解质双电层结构示意图

a)、b) ZAH 分子的结构及静电势图。c)、d) ZS 和 ZAH 电解质的拉曼光谱与傅里叶变换红外光谱。e) ZAH 和 H₂O 在 Zn (002) 表面的吸附模式及相应的吸附能。f) Zn//Zn 对称电池在 ZS 和 ZAH 电解质中的双电层电容(EDLC)曲线。g) Zn 阳极在 ZS 和 ZAH 电解质中的接触角测量结果。

a) ZS 和 ZAH 电解质的塔菲尔曲线。b)、c) ZS 和 ZAH 电解质中的线性扫描伏安法(LSV)曲线。d - f) 将锌阳极浸入 ZS 和 ZAH 电解质中 10 天后的 X 射线衍射(XRD)图谱和扫描电子显微镜(SEM)图像。g) 使用 ZS 和 ZAH 电解质的 Zn//Cu 非对称电池在扫描速率为 5 毫伏 / 秒时的循环伏安法(CV)曲线。h) Zn//Zn 对称电池在 ZS 和 ZAH 电解质中的计时电流法曲线。i) 基于阿伦尼乌斯公式计算的 Zn//Zn 对称电池中去溶剂化能。

a) 电流密度为 1 mA cm⁻²、容量为 0.5 mA h cm⁻² 时 Zn//Zn 扣式电池的电压曲线。b) 使用不同电解质的 Cu//Zn 扣式半电池的库仑效率(CE)。c) 电流密度为 5 mA cm⁻²、容量为 5 mA h cm⁻² 时 Zn//Zn 扣式电池的电压曲线。d) 采用不同电解质的 Zn//NH₄V₄O₁₀扣式电池的倍率性能。e) 电流密度为 5 A g⁻¹ 时 Zn//NH₄V₄O₁₀扣式电池的长期循环性能。f) 电流密度为 0.5 A g⁻¹ 时 Zn//NH₄V₄O₁₀扣式电池的长期循环性能。g) 电流密度为 1 A g⁻¹ 时 Zn//NH₄V₄O₁₀软包电池的长期循环性能。

论文信息

通讯作者:Zhenxing Liang, Huiyu Song

  • 发表于:
  • 原文链接https://page.om.qq.com/page/OE7ezIS0UsrDyNzUQRcTN0ow0
  • 腾讯「腾讯云开发者社区」是腾讯内容开放平台帐号(企鹅号)传播渠道之一,根据《腾讯内容开放平台服务协议》转载发布内容。
  • 如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

相关快讯

扫码

添加站长 进交流群

领取专属 10元无门槛券

私享最新 技术干货

扫码加入开发者社群
领券