哈工大(深圳)黄燕教授团队《ACS AMI》：氯化锌/尿素低共熔电解质制备高性能无枝晶锌硫转换电池

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研究背景

水系锌离子电池面临两方面的挑战，一是严重的析氢反应和不可控的锌枝晶生长；二是传统正极材料低的放电容量和高的自放电速率。为了解决这些问题，哈尔滨工业大学(深圳) 黄燕团队基于低成本的低共熔溶剂(DES)和高容量转换型S正极电池构造高性能无枝晶锌硫转换电池。利用优化的DES电解液，锌锌对称电池可以稳定循环超过 3920 小时；同时，制备的锌硫电池在 0.5 A g^-1 下具有超高的比容量~846 mAh g^-1 和能量密度~259 W h kg^-1。此外，S 和 ZnS 的转化化学和无多硫化物的穿梭效应赋予了锌硫电池优异的抗自放电行为。这项工作是首次对基于新开发的低成本 DES 电解质的 Zn-S 电池进行验证，同时解决了传统脱嵌型锌离子电池中根深蒂固的低比容量和锌枝晶问题。其成果以题为“Ultra-High-Capacity and Dendrite-Free Zinc–Sulfur Conversion Batteries Based on a Low-Cost Deep Eutectic Solvent”在期刊 ACS Appl. Mater. Interfaces 上发表。哈工大（深圳）材料学院博士研究生崔芒伟和硕士研究生费金波为论文第一作者。

研究工作亮点

1. 与离子液体类似，氯化锌/尿素DES展示出宽的电压窗口和微不足道的析氢反应。更重要的是，氯化锌/尿素DES制备简便，对各种锌盐（ZnSO₄,ZnCl₂,Zn(NO₃)₂和Zn(Ac)₂）具有良好的溶解能力，展示出高的离子电导率、高安全性和低成本。
2. 基于上述优点，锌电池中的副反应受到抑制，电解液中锌离子的溶剂化结构可以得到合理优化，使得锌在 3920 小时内无枝晶剥离/镀覆。
3. 使用这种无枝晶的锌负极和硫正极，锌硫电池在 DES 电解质中在 0.5 A g^-1 时表现出高比容量（846 mAh g^-1）。此外，详细研究了S 和 ZnS 可逆转换化学的机理。
4. 基于转换反应机理和无枝晶锌负极，Zn-S 电池具有低自放电特性，72 小时后容量保持率为 94.58%。即使经过 288 小时的自放电测试，它仍然保留了 68.58% 的初始容量。

全文解析

图1. DES电解液表征。(a-b). DES电解液的制备示意图; (c) 溶解在 DES 中的 1 m ZnCl₂、Zn(NO₃)₂、Zn(Ac)₂ 和 ZnSO₄; (d) CV 曲线 Zn电镀/剥离行为的变化;（e）离子电导率的比较；(f) 不同电解质在空气中的重量保留；(g) D-Zn-Li -10% AN 中Zn/Zn对称电池的电压响应，以及不同锌箔的 (h,i) SEM 图像和 XRD图片。
 
图2、锌硫电池的电化学性能。(a) 不同电解液的电化学稳定性窗口，由 Ti 箔工作电极在 10 mV s^-1 时的 LCV 曲线确定，(b,c) DES 基和 W-Zn 电解液中 Zn-S 电池的 CV 曲线， (d,f) Zn-S 电池在不同电解质中的 GCD 曲线、循环性能和 CE，(g) Zn-S 电池与其他正极之间的比容量比较。(h,i) Zn-S 电池的循环稳定性和倍率性能，(j) 基于 D-Zn-Li-5% AN 电解质的 Zn-S 电池的 Ragone 图与之前研究中报道的其他电池的比较。
 
图3、 锌硫电池的自放电测试。(a) Zn-S 电池在第 5 次循环充电状态下静置 72 小时后的循环曲线，(b) 72 小时前后的 GCD 曲线和(d) 完全充电状态下静置 288 小时，以及 (c) 锌离子电池静置不同时间后容量保持率对比。
 
图4、锌硫电池的转换反应机理研究。(a) 在不同充放电电位下的XRD 谱图，(b,c) 在完全充电和放电状态下 (b) Zn 2p 和 (c) S 2p 的 XPS 光谱，以及 (d)放电和 (e) 充电状态下的HRTEM图像。

作者简介

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黄燕教授 教育部青年长江学者，广东省杰出青年科学基金获得者，深圳市青年科技奖获得者，哈工大青年拔尖人才。研究工作主要围绕先进电化学能源材料的设计开发及其在柔性和可穿戴领域的应用研究。迄今为止已在Nature Commun.; Adv. Mater.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Energy Mater.; ACS Nano等国际权威期刊发表论文近100篇，被Nature Rev. Mater., Chem. Rev., Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊评价和引用8000余次，15篇论文被入选为ESI高被引论文，H指数42。课题组主页：
http://flexenergy.hitsz.edu.cn/index.htm
原文链接

Mangwei Cui#, Jinbo Fei#, Funian Mo, Hao Lei, and Yan Huang*. Ultra-High-Capacity and Dendrite-Free Zinc–Sulfur Conversion Batteries Based on a Low-Cost Deep Eutectic Solvent. ACS Appl. Mater. Interfaces

https://doi.org/10.1021/acsami.1c15750

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