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东华大学王宏志、李克睿团队《Adv. Funct. Mater.》:环保丝肽添加剂的协同溶剂化和界面调控实现稳定水系锌离子电池

老酒高分子 高分子科技 2022-05-07
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近年来,新兴的水系锌离子电池因其低成本、高安全性和生态友好性而受到人们的广泛关注,被认为是一种具有广阔应用前景的大规模储能体系。金属锌具有较高的质量容量和体积容量(820 mAh g−1,5855 mAh cm−3),较低的氧化还原电位(与标准氢电极相比为−0.76 V),在空气和水介质中稳定性好,因此被广泛直接用作电池的负极。然而,锌金属负极在水系电解液中总是存在枝晶生长、析氢反应和腐蚀副产物等副反应,严重阻碍了其商业化应用。

鉴于此,东华大学王宏志教授团队提出了一种丝素蛋白的水解策略,以促进其结构重组和出现更多的氨基/羧基极性基团(−NH2,−COOH。结果表明,作为丝素蛋白水解物,丝肽是一种高效、低成本、环保的电解添加剂,可以显著延长水系锌离子电池的循环寿命。与丝胶蛋白和丝素蛋白相比,丝肽分子硫酸锌电解中具有较高的可溶性,肽链上含有更多的极性基团这对缓解锌极的副反应具有两个关键作用1)通过减少配位活性H2O和SO42−丝肽调控Zn2+的溶剂化结构,光谱测试和分子动力学模拟验证了这一点2)根据密度泛函理论计算和实验结果,丝肽分子倾向于锚定在Zn负极表面,以隔离接触H2OSO42−,同时起到界面静电屏蔽的作用。因此,仅少量的丝肽添加剂5 mg mL−1,≈0.49 USD L−1对锌阳极的循环寿命3000 h和库仑效率99.7%产生显著影响,并在全电池中实现了长期循环稳定性1000次循环后保持率为76%

 

图1. 具有不同构象和极性基团的丝胶蛋白分子、丝素蛋白分子和丝肽分子之间关系的示意图,以及它们作为电解液添加剂在水系锌离子电池中的应用

 

图2. a)锌对称电池在有/无添加剂的硫酸锌电解液中的倍率性能;b)在不同电解液中,锌沉积形貌的SEM图;c)在分别含有丝胶蛋白、丝素蛋白和丝肽添加剂的电解液中抑制锌枝晶的三种策略的示意图,添加剂的有效性取决于分子构象和极性基团

 

图3. a)Zn2+与丝肽链上的–COOH (ΔE1)、–NH2 (ΔE2)和–CO–NH– (ΔE3)基团之间结合能的DFT计算;b)有/无丝肽添加剂的硫酸锌电解液的核磁氢谱;c,d,e)含有丝肽的硫酸锌电解液中,Zn2+溶剂化结构的MD模拟快照和径向分布函数;f)有/无丝肽的硫酸锌电解液的拉曼光谱;g)有/无丝肽的电解液中Zn2+溶剂化结构示意图

 

图4. a)浸泡在丝肽溶液中的锌箔的XPS光谱;b)水分子和丝肽在Zn (002)表面吸附能的DFT计算;c)有/无丝肽的电解液中锌剥离/电镀行为的CV曲线;d)锌负极上锚定的丝肽引起的界面静电屏蔽效应示意图;e)有/无丝肽的电解液中锌沉积形貌的原位光学观测;f)有/无丝肽的电解液的析氢反应曲线;g)有/无丝肽的电解液中锌金属浸泡7天后的XRD图

 

图5. a)含不同丝肽浓度的硫酸锌电解液中,Cu-Zn电池库仑效率测试;b)有/无丝肽(5 mg mL–1)的硫酸锌电解液中,锌对称电池的循环性能测试;c)有/无丝肽的硫酸锌和硫酸锰电解液中,全电池的长循环稳定性测试;d)本工作在性能、经济效益等方面与已报道工作的对比

近期,该研究成果以Synergistic Solvation and Interface Regulations of Eco-Friendly Silk Peptide Additive Enabling Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries为题发表于学术期刊Advanced Functional Materials》。论文第一作者东华大学博士生王宝俊共同通讯作者为李耀刚教授、李克睿研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委和东华大学研究生创新基金的资助。

 

论文全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202112693


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