先进钙锌混合离子电池 | Science Bulletin

Science Bulletin 2023年第1期封面文章报道了济南大学徐锡金教授课题组的研究成果。

研究简介

水系可充电钙离子的发展主要面临两个挑战：

(1) 各种电解质中金属钙的不可逆镀钙/剥离，这严重阻碍了基于金属钙负极的金属钙离子电池的基础研究；(2) 缺乏用于Ca²⁺存储的高性能电极材料。

与水系钙离子电池缺乏负极不同，金属锌负极可在水系电解质中可逆电镀/剥离，具有理想的电势和超高的理论容量，使得水系锌基电池比其他电池更容易获得高性能。在此基础上，济南大学徐锡金教授课题组通过耦合无枝晶锌负极和可逆脱嵌钙离子的磷酸钒钠正极实现了先进钙锌混合离子电池。

他们合成了一种有无定形活性碳和还原氧化石墨烯包覆的NASICON型正极材料(NVP@AC@rGO)，NVP的开放框架结构为Ca²⁺的可逆插入/脱嵌提供了开放空间。此外，利用钙离子的低还原电位，形成静电屏蔽效应，从而抑制了锌枝晶的形成，使锌负极在钙/锌混合电解液中的循环性能提高了20多倍。这种巧妙的组合平衡了单一多价离子电池的优缺点，为设计高性能的水性多价离子电池提供了一种新的可行途径。

本文提出了一种钙/锌水系混合电池，其整合了钙离子在正极和无枝晶锌金属负极中的扩散动力学。该系统通过引入NASICON型正极解决了传统正极材料不可逆脱钙/钙化的挑战。同时，体系中的Ca²⁺不仅作为电荷载体改善电池的倍率性能，而且优先吸附在锌负极上，形成静电屏蔽层抑制锌枝晶。由于正负性能的结合，该钙/锌混合离子电池的循环次数高达1300次，超过了已报道的最先进的钙离子电池存储系统。这项工作将为优化多价离子二次电池的性能提供一条简单实用的新途径。

图文导读

图1：NVP的晶体结构和形貌

图2：NVP@AC@rGO用于Ca²⁺存储的电化学性能

图3：NVP@AC@rGO的Ca²⁺脱/插层机理

图4：镀锌/脱锌形貌表征

图5：锌负极的电化学测试与表征

文章信息

Shunshun Zhao, Chuanlin Li, Xixi Zhang, Na Li, Tongkai Wang, Xiaojuan Li, Chenggang Wang, Guangmeng Qu, Xijin Xu. An advanced Ca/Zn hybrid battery enabled by the dendrite-free zinc anode and a reversible calcification/decalcification NASICON cathode. Science Bulletin, 2023, 68(1): 56-65

https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.12.020

第一作者

赵顺顺

博士研究生在读，北京化工大学。主要研究方向为水性锌离子电池。

李传琳

硕士研究生在读，济南大学。主要研究方向为水性锌离子电池。

通讯作者

渠广猛

山东大学。主要研究方向为水性锌基储能装置的电解质和界面工程。

徐锡金

教授，济南大学。主要研究方向为功能微/纳米结构的合成和表征及其在环境修复和能量存储中的应用。

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