全固態(tài)鋅空軟包電池具有極高的理論能量密度、功率密度、良好安全性，在電動汽車、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具備廣闊應用前景。但缺乏性能優(yōu)異的正極、全固態(tài)電解質(zhì)，以及界面電化學/機械穩(wěn)定性問題，阻礙該電池技術(shù)商業(yè)化進程，亟需研究突破。

 

       韓國漢陽大學Jung-Ho Lee教授課題組牽頭聯(lián)合研究團隊設(shè)計制備了一種新型（101）面磷硫化銅CPS(101)正極材料，和抗凍的聚糖生物纖維素（CBC）固態(tài)電解質(zhì)、鋅負極構(gòu)建出完整軟包鋅空電池，表現(xiàn)出超高的電化學性能，電池能量密度可達460Wh/kg，且穩(wěn)定循環(huán)6000余次，具備-20~80℃寬泛工作溫度區(qū)間和良好機械柔韌性，為新型高性能高安全性的電池提供了新路徑。研究人員首先通過涂覆、溶劑蒸發(fā)、真空干燥等步驟制備出了CPS(101)正極，隨后以CBC為固態(tài)電解質(zhì)、以鋅為負極組裝成完整的對稱軟包鋅空電池；為了對比又同步制備了以傳統(tǒng)商業(yè)Pt/C為正極的電池。掃描電鏡測試結(jié)果顯示電池材料呈現(xiàn)三維多孔海綿狀，這有利于電解質(zhì)的充分接觸提升離子傳輸速度。與傳統(tǒng)商用的Pt/C正極材料電化學性能對比研究顯示，CPS(101)對氧還原反應（ORR和OER）和析氫反應（HER）表現(xiàn)出更強的電催化活性和更長的循環(huán)穩(wěn)定性。接著研究人員設(shè)計制備了抗凍的聚糖生物纖維素（CBC）固態(tài)電解質(zhì)，通過對組分優(yōu)化調(diào)諧，CBC獲得了優(yōu)異的離子導電性（在25℃下導電率可達86.7mS/cm）、良好化學穩(wěn)定性（2500小時連續(xù)測試下離子交換能力僅下降1.1%）和機械穩(wěn)定性（195 MPa壓力下可以承受119%形變應力）。隨后研究人員以CPS(101)為正極、CBC為電解質(zhì)、鋅為負極組裝成完整的軟包電池并開展電化學性能研究。在25 mA/cm2放電電流密度下，電池獲得了高達460 Wh/kg放電比能量密度，且穩(wěn)定循環(huán)6000余次后仍可保持96%的初始比容量密度，表現(xiàn)出優(yōu)異的長程循環(huán)穩(wěn)定性；且電池即使在200 mA/cm2工作電流密度下仍可正常工作，展現(xiàn)出良好的高倍率性能；更為關(guān)鍵是電池在-20~80℃溫度區(qū)間均能夠穩(wěn)定工作，具備了寬泛工作溫度區(qū)間，為電池提供了更加廣闊的應用前景。

圖1 柔性軟包鋅空電池電化學性能

 

       該項研究制備了新型的三維多孔正極磷硫化銅，結(jié)合高離子導電性、高氧還原和析氫催化活性的抗凍聚糖生物纖維素（CBC）固態(tài)電解質(zhì)，組裝成高性能的軟包鋅空電池，獲得了高達460  Wh/kg放電比能量密度和6000余次長程循環(huán)穩(wěn)定性，為開發(fā)高性能長壽命的新一代非鋰儲能電池指明了新方向。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature Energy》。