华中科大Advanced Science: 一种低成本高能量密度水系锌-硫电池

水系锌金属电池具有安全性好、成本低廉、清洁环保等优势，是一类具有应用潜力的电化学储能技术。目前已报道的水系锌金属电池一般采用嵌入式正极材料，但受限于正极材料对主体框架结构的高度依赖，电池能量密度偏低，限制了其实际应用。

与嵌入机制不同，基于转换反应机制的正极则有望大幅提高电池能量密度。近日，华中科技大学电气与电子工程学院蒋凯教授和王康丽教授团队提出了一种基于硫-碳纳米管复合材料转换式正极的低成本高能量密度水系锌金属电池。研究表明，水溶液的pH值对硫电极的可逆容量、极化电位、循环性能均有很大影响。在近中性的锌基水溶液体系中，硫电极表现出较高的容量和较低的极化。进一步研究发现，通过添加碘作为氧化还原媒介和提高反应温度，硫电极的活性进一步提高，可逆容量和极化过程均显著改善。作者通过非原位 XRD、Raman、TEM和XPS等分析测试，揭示了硫电极发生S↔ZnS的可逆转变，同时证实了碘作为氧化还原媒介的循环稳定性。该电池材料体系能量密度达到502 Wh/kg，材料成本低廉（45 $/kWh）。相关设计策略和研究结果为发展高性能水系锌基电池提供了新的思路和方法。该成果以“A Low Cost Aqueous Zn–S Battery Realizing Ultrahigh Energy Density ”为题在国际顶级期刊Advanced Science发表。 

图1 样品的结构表征。不同硫碳复合材料的（a）TG和（b）XRD图谱。（c）S@CNTs-50和CNTs的氮气吸脱附曲线，（d）CNTs 的TEM照片，（e，f）S@CNTs-50 的TEM照片，和（g-h）S@CNTs-50的TEM mapping。 

图2 S@CNTs-50 电极的电化学性能。S@CNTs-50在（1）1 M Zn(CF₃SO₃)₂，(2) 1 M ZnSO₄，(3) 1 M Zn(CH₃COO)₂ 和（d）1 M Zn(CH₃COO)₂+ I₂锌溶液中的充放电曲线。S@CNTs-50电极的（e）能量密度和（f）材料成本与报道的体系的比较。 

图3 S@CNTs-50电极的电化学性能。（a）不同电流密度下的倍率容量和（b）充放电曲线，（c）不同温度下的充放电曲线，（d）短循环性能和（e）长循环性能。 

图4 S@CNTs-50电极的充放电产物的结构表征。（a）不同电位下XRD图谱，（b）不同电位下Raman光谱，（c，d）放电下产物的TEM照片和晶面层间距，（e）放电产物的TEM mapping, 和（f-g）不同状态下的XPS图谱 。

Wei Li, Kangli Wang, Kai Jiang, A Low Cost Aqueous Zn–S Battery Realizing Ultrahigh Energy Density, Adv. Sci., 2020, DOI:10.1002/advs.202000761