北大潘鋒團隊可充放電鋅離子電池及關鍵材料研發取得進展
時間:2018-12-13 10:27來源:北京大學 作者:綜合報道
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圖：a)MOF-808的離子化后修飾過程；b)ZnMOF-808單Zn2 離子導體的結構示意圖；c)MOF-808的離子化前后的NMR圖譜對比；d)ZnMOF-808單Zn2 離子導體電導率的阿倫尼烏斯曲線；鋅片負極在e)1 M ZnSO4電解液和f)ZnMOF-808單Zn2 離子導體中的Zn沉積形貌
鋅具有最低的電化學勢（-0.76V vs SHE），體積能量密度是金屬鋰的3倍，并且在地殼中儲量豐富、環境友好，因此鋅是一種理想的負極材料。與鋰離子電池相比，水體系工作的鋅離子電池具有更高的安全性及更低的成本，適用于大規模能量存儲領域。
但是，鋅負極在循環充放電的過程中比金屬鋰更易形成枝晶，電池短路的風險極大，因此目前實際應用的鋅離子電池都是單次使用的一次電池，而非像我們手機使用的可循環充放的鋰離子電池。參考鋰離子電池領域，采用Zn固態電解質替代電解液有望實現Zn的均勻沉積并抑制枝晶生長，從而推廣Zn金屬二次電池的應用。遺憾的是，由于二價Zn2 與晶格作用較強，目前尚未發現室溫下Zn2 離子電導率較高的固態材料。
北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊利用金屬-有機框架材料（MOFs）具有利于離子快速遷移、高度可設計的有序孔道結構，首次研發成功基于MOFs的Zn-單離子導體固態電解質實現可穩定充放電循環的鋅離子電池。相關成果發表于近期的國際材料與能源知名雜志Nano Energy（doi：j.nanoen.2018.11.038, 影響因子13.3）。
團隊利用離子化后修飾及離子交換等手段，成功地制備了基于MOF-808的Zn2 固態電解質（WZM）（材料的制備過程如下圖所示）。它是一種固態的單Zn2 離子導體，室溫電導率高達0.21 mS∙cm-1，Zn2 離子遷移數為0.93，電化學窗口為2.20V，滿足所有已知的鋅離子電池正極材料。這與在電解液中的沉積形貌不同（圖e），在WZM固態電解質的作用下，鋅的沉積均勻、致密且沒有枝晶（圖f）。
通過對比研究發現，這種優良的沉積形貌得益于帶負電的MOF孔道對Zn2 的限制和誘導沉積機制。他們利用WZM固態電解質組裝了Zn|WAM|VS2固態電池并進行了測試。室溫下250個循環后該固態電池的容量保持率為首圈的89%，展現了良好的倍率性能。
該工作由潘鋒指導，博士后王子奇為第一作者。以上工作得到國家材料基因組重大專項(2016YFB0700600)、國家自然科學基金、深圳市科技創新委的資助支持。
(責任編輯：子蕊)
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