海洋学院师生发表大规模储能海水基锌离子电池重要成果

大规模储能器件是构建海岸/岛能源供应体系的重要环节，可实现可再生能源的高效存储，为海岛提供稳定电力输出。水系锌离子电池具有高安全性，低成本和高理论容量等优势，是极具发展潜力的新型储能器件，但是锌金属负极受枝晶和腐蚀等问题影响极大地限制了其产业应用。调控水合锌离子的溶剂化鞘层是保护锌负极的有效策略。然而，溶剂分子的性质如何调节锌离子的溶剂化结构的机理还未厘清。近日，我院凌国维教授、张辰副教授团队联合化工学院杨全红教授团队提出将稳定常数（K）作为普适性标准来筛选电解液配体，显著提高金属负极的稳定性。研究结果表明，K与腐蚀电流密度和成核过电位有明显的相关性，添加具有较大的K值的配体可降低腐蚀电流密度和均匀成核。具有高K值的乙二胺四乙酸能够有效地抑制腐蚀和均匀沉积，使负极具有超过3000小时的高稳定性。同时，就地取材，利用海水替代传统去离子水用作锌离子电池电解液，同样表现出优异的性能，为海岸/岛大规模储能器件的低成本应用奠定了基础。该成果于近日发表在材料领域顶级期刊《先进材料》Advanced Materials（IF=32.086），题目为：Tuning Zn-ion Solvation Chemistry with Chelating Ligands towards Stable Aqueous Zn Anodes。该论文第一作者是天津大学海洋学院硕士孟蓉炜，通讯作者为海洋学院张辰副教授和化工学院杨全红教授。

该工作提出了通过调节溶剂化结构来稳定金属负极的普适性策略，提出海水电解液添加剂“动态螯合”机理，获得了高稳定金属锌负极，充分验证了此策略在海水基锌离子电池这一复杂体系中的可行性，对于开发用于可持续水系金属电池的新型电解液具有指导作用。

图1 K值与腐蚀电流密度和成核过电位之间的关系。(a)不同K值的配体的分子模型；(b)具有不同配体的Cu//Zn半电池在1 mA cm^-2电流密度下的恒电流电压曲线；(c)不同配体的动电位极化曲线；(d) log K与腐蚀电流及过电位的关系图；(e)对称电池的电镀/剥离时间-电压曲线；(f)具有不同配体的Cu//Zn半电池的库伦效率。

图2 EDTA抑制枝晶的作用效果。(a)含EDTA的锌片表面的SEM图；(b)不含EDTA的锌片表面的SEM图；(c-d)原位光学显微镜图观察枝晶生长过程；(e) Zn//Zn对电池的剥离/沉积时间-电压曲线；(f-g)循环300小时后的锌片表面的SEM图；(h)在2 A g^-1下，Zn//NVO全电池的循环充放电曲线。

发表论文：Rongwei Meng, Huan Li, Chen Zhang*, Quan-Hong Yang*, et al. Tuning Zn-ion Solvation Chemistry with Chelating Ligands towards Stable Aqueous Zn Anodes,Advanced Materials,2022, DOI: 10.1002/adma.202200677.

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202200677