我所研發(fā)出耐低溫水系鋅基電池用電解質(zhì)溶液

2020.8.31

　　近日，我所儲(chǔ)能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員、張華民研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在低溫水系鋅基電池電解液研究方面取得新進(jìn)展，研發(fā)出全天候水系鋅基電池用電解質(zhì)溶液。

　　水系鋅基電池具有安全性高、成本低、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，水系鋅基電池面臨的主要挑戰(zhàn)為：鋅負(fù)極一側(cè)鋅的不均勻沉積導(dǎo)致枝晶生長與脫落，從而影響鋅基電池的循環(huán)穩(wěn)定性；此外，水系電解液離子傳導(dǎo)率隨著溫度的降低而急劇下降，使得該體系電池在低溫下無法運(yùn)行，大大限制了水系鋅基電池應(yīng)用范圍。

　　該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種耐低溫、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保的水系鋅基電池用混合電解液。該電解液由水（H₂O），乙二醇（EG）和硫酸鋅（ZnSO₄）組成，在低溫下具有高的離子傳導(dǎo)率（-40°C時(shí)為6.9mS/cm）。研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)并結(jié)合理論計(jì)算，闡明了Zn²⁺-EG分子間獨(dú)特的相互作用，能顯著提高EG-H₂O分子間氫鍵相互作用，從而有效地破壞電解液中H₂O分子間連續(xù)的氫鍵，大大降低混合電解液的凝固點(diǎn)，在低溫下實(shí)現(xiàn)Zn²⁺快速傳輸。同時(shí)，Zn²⁺-EG溶劑化作用可提高鋅沉積/溶解可逆性，改善鋅負(fù)極的沉積形貌。研究還發(fā)現(xiàn)，采用該混合電解液構(gòu)筑的鋅離子混合超級電容器（ZHSC）和鋅離子電池（ZIB）在-20℃均展現(xiàn)出高能量密度（ZHSC為36Wh/kg，ZIB為109Wh/kg）、高功率密度（ZHSC為3.1kW/kg，ZIB為1.6kW/kg）和長循環(huán)壽命（ZHSC為5500個(gè)循環(huán)，ZIB為250個(gè)循環(huán)）的特點(diǎn)。此外，調(diào)控混合電解液不同配比，可以使其能夠耐受不同程度的低溫，實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下的使用。此項(xiàng)研究工作對低溫儲(chǔ)能器件電解液的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

　　該研究成果在線發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院電化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。

電池水系鋅基

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