香港城市大学支春义、范俊教授EES：独特的相分离电解质，实现高性能锌基电池

一、导读
传统的可充电电池金属阳极中，相应的金属离子充当电荷载体，实现在阳极和阴极之间往返穿梭，这需要阴极材料允许金属离子的可逆插层。因此，阴极材料的选择性受到严重限制。近年来，无需金属离子作为电荷载体的混合电池引起了极大关注，这为设计具有更优异电化学性能的电池开辟了一种全新的途径。例如，钠-锂混合电池、镁-锂混合电池、镁-钠混合电池和以钙离子为基础的混合电池展示出了高工作电压和稳定的循环性能。
采用碱性、中性或轻度酸性电解质的水性可充电锌基电池已经被开发出来。研究表明，在中性或轻度酸性电解质的水性锌电池中，H⁺和Zn²⁺通常都作为电荷载体在阴极材料中进行插层和脱嵌过程。然而，由于锌在中性或轻度酸性电解质中的高电极电位、窄的电化学稳定窗口以及阴极材料的限制，通常锌电池的工作电压低于1.5V，极大地限制了它们的应用。此外，作为高电荷离子的Zn²⁺，大多数阴极材料无法允许其可逆插层。因此，开发以非锌离子作为电荷载体的混合电池是提高锌基电池的电化学性能的有效途径。

二、成果掠影
香港城市大学支春义，范俊团队等人开发了一种独特的相分离电解质（PSE），由完全不相溶的水相和油相组成。PSE中的界面离子转移电化学提高了约0.35V的工作电压。因此，所开发的锌/锂混合电池平均工作电压达到了3.41V，接近锂离子电池的电压。更有趣的是，受益于Zn²⁺进入油相的扩散完全被阻断，PSE中的液液界面可以完全截断锌枝晶的生长。相关研究成果以“Immiscible phase-separation electrolyte and interface ion transfer electrochemistry enable zinc/lithium hybrid batteries with 3.5 V-class operating voltage.”发表在Energy Environ. Sci.上。

三、核心创新点
1.实现了一种独特的相分离电解，完全不相溶的水相和油相组成。
2.PSE中的液液界面可以完全截断锌枝晶的生长。

四、数据概览

图1 PSE的电化学稳定窗口，并比较了不同电位下的阴极材料。@RSC

图2 LiFePO₄, LiMn₂O₄, LiNi_0.5Mn_1.5O₄ and LiCoMnO₄正极材料在PSE和WiS电解质中的电化学性能。@RSC

图3 PSE中Zn枝晶的能量储存和界面抑制机制。@RSC

图4 通过界面离子转移电化学提高PSE的额外电压，并对各种锌电池进行比较。@RSC

图5 含有PSE的ZnǁLiMn2O4的电化学性能。@RSC

五、成果启示
本文开发了一种独特的相分离电解质，由完全不相溶的水相和油相组成。碱性水相电解质利用锌阳极的低电极电位的优势，油相Py₁₄TFSI-HFE电解质扩展了阴极材料的选择范围。此外，界面离子转移电化学进一步提高了约0.35 V的工作电压。这种新颖的电解质体系为制造高性能的锌基电池提供了一种新的方法，并且可以用于其他电池系统，以实现优异的电压输出。

文献链接：Immiscible phase-separation electrolyte and interface ion transfer electrochemistry enable zinc/lithium hybrid batteries with 3.5 V-class operating voltage. Energy Environ. Sci., 2023.
https://doi.org/10.1039/D3EE01362F
本文由辞书供稿