中科院纳米能源所蒲雄课题组JMCA：两性离子水凝胶电解质助力高性能锌双离子电池

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可重复使用的水系锌电池由于其卓越的安全性和低成本的特性，可作为下一代可穿戴能源存储设备。近日，中科院北京纳米能源与系统研究所的蒲雄课题组报道了一种以可脱嵌阴、阳离子的聚苯胺（PANI）为正极材料的高性能双离子锌电池。作者设计了一种两性离子水凝胶电解质，得益于两性离子单体中带电基团与反自由离子之间的强静电相互作用，阴、阳离子能形成互不干扰的输运通道。此外，作者通过调整水凝胶网络中的聚两性离子含量来优化离子电导率和力学性能。从电池性能来看，这种阴、阳离子传输通道为锌金属阳极带来更加稳定均匀的电镀/剥离行为，同时促进了阴、阳离子在PANI正极中的脱嵌反应。这些协同效应使得Zn/PANI电池具有优异的电化学性能，在5 A g^-1电流密度下循环600次后，容量仍达102.5 mAh g^-1，容量保持率高达87.5%。此外，作者制备了固态的软包电池，在弯折、针刺情况下仍能有效工作，体现出作为安全的柔性可穿戴储能设备的应用前景。相关研究工作以题为“High-performance dual-ion Zn batteries enabled by a polyzwitterionic hydrogel electrolyte with regulated anion/cation transport and suppressed Zn dendrite growth”发表在国际顶级学术期刊Journal of Materials Chemistry A（IF=12.73）上。文章共同一作是博士生李隆伟和硕士生张蓝双。

图1、ZIS-PVA水凝胶的制备与表征。（a）双网络水凝胶的制备示意图。（b）不同ZIS含量水凝胶的断裂强度与离子电导率。（c）ZIS-PVA和PVA水凝胶的耐溶胀和抗失水对比。（d）ZIS-PVA和PVA水凝胶在不同浸泡时间后的对比照片。（e）ZIS-PVA和PVA水凝胶在不同浸泡时间后的离子电导率。（f）ZIS-PVA和PVA水凝胶的电化学稳定窗口对比。（g）ZIS-PVA水凝胶冻干后的SEM形貌表征。

图2、Zn/PANI双离子电池反应机制。（a）PANI正极在充放电过程中的反应原理。PANI/CC正极中特征元素（b）Cl 2p，（c）F 1s，和（d）Zn 2p在不同阶段的XPS图谱。（e）ZIS-PVA水凝胶电解质在Zn/PANI双离子电池中的作用示意图。 

图3、Zn/Zn对称电池性能。（a）以ZIS-PVA和PVA水凝胶为电解质的对称电池在不同电流密度下的极化电压。（b）以ZIS-PVA和PVA水凝胶为电解质的对称电池在2.0 mA cm^-2电流密度下的电压曲线。Zn电极在2.0 mA cm^-2电流密度下循环不同次数后的SEM形貌表征，（c和d）PVA水凝胶为电解质分别循环5圈和30圈，（e和f）PVA水凝胶为电解质分别循环5圈和30圈。Zn在不同电解质（g）PVA，（h）ZIS-PVA中的沉积/剥离原理。

图4、Zn/PANI纽扣电池电化学性能。（a）以ZIS-PVA和PVA水凝胶为电解质的Zn/PANI电池的EIS谱图，插图为拟合等效电路图。（b）Zn/ZIS-PVA/PANI电池在不同扫描速率下从0.5-1.5 V的CV曲线。（c）CV曲线中各氧化还原峰对应的log（峰电流）与log（扫描速率）关系图。（d）以ZIS-PVA和PVA水凝胶为电解质的Zn/PANI电池的倍率性能对比。（e）Zn/ZIS-PVA/PANI电池在不同电流密度下从0.5-1.5 V的电压-容量曲线。（f）Zn/ZIS-PVA/PANI电池在不同循环次数中从0.5-1.5 V的电压-容量曲线。（g）以ZIS-PVA和PVA水凝胶为电解质的Zn/PANI电池在5A g^-1电流密度下的循环性能。（h）本工作与已报道的一些水系新电池倍率性能对比。

图5、Zn/PANI软包电池性能。（a）软包电池组装示意图。软包电池为（b）商业电子手表和（c）80个并联LED灯供电照片。软包电池在1 A g^-1电流密度下，（d）不同弯折角度和（f）不同针刺次数下的循环性能。软包电池在（e）弯折后为商业电子计算器供电以及在（g）针刺后为计步器供电的照片。

论文信息：

High-performance dual-ion Zn batteries enabled by a polyzwitterionic hydrogel electrolyte with regulated anion/cation transport and suppressed Zn dendrite growth

Journal of Materials Chemistry A

DOI: 10.1039/d1ta08127f

Longwei Li#, Lanshuang Zhang#, Wenbin Guo, Caiyun Chang, Jing Wang, Zifeng Cong and Xiong Pu*

https://doi.org/10.1039/d1ta08127f

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