香港城市大學支春義、范俊教授EES：獨特的相分離電解質，實現高性能鋅基電池

一、導讀
傳統的可充電電池金屬陽極中，相應的金屬離子充當電荷載體，實現在陽極和陰極之間往返穿梭，這需要陰極材料允許金屬離子的可逆插層。因此，陰極材料的選擇性受到嚴重限制。近年來，無需金屬離子作為電荷載體的混合電池引起了極大關注，這為設計具有更優異電化學性能的電池開辟了一種全新的途徑。例如，鈉-鋰混合電池、鎂-鋰混合電池、鎂-鈉混合電池和以鈣離子為基礎的混合電池展示出了高工作電壓和穩定的循環性能。
采用堿性、中性或輕度酸性電解質的水性可充電鋅基電池已經被開發出來。研究表明，在中性或輕度酸性電解質的水性鋅電池中，H⁺和Zn²⁺通常都作為電荷載體在陰極材料中進行插層和脫嵌過程。然而，由于鋅在中性或輕度酸性電解質中的高電極電位、窄的電化學穩定窗口以及陰極材料的限制，通常鋅電池的工作電壓低于1.5V，極大地限制了它們的應用。此外，作為高電荷離子的Zn²⁺，大多數陰極材料無法允許其可逆插層。因此，開發以非鋅離子作為電荷載體的混合電池是提高鋅基電池的電化學性能的有效途徑。

二、成果掠影
香港城市大學支春義，范俊團隊等人開發了一種獨特的相分離電解質（PSE），由完全不相溶的水相和油相組成。PSE中的界面離子轉移電化學提高了約0.35V的工作電壓。因此，所開發的鋅/鋰混合電池平均工作電壓達到了3.41V，接近鋰離子電池的電壓。更有趣的是，受益于Zn²⁺進入油相的擴散完全被阻斷，PSE中的液液界面可以完全截斷鋅枝晶的生長。相關研究成果以“Immiscible phase-separation electrolyte and interface ion transfer electrochemistry enable zinc/lithium hybrid batteries with 3.5 V-class operating voltage.”發表在Energy Environ. Sci.上。

三、核心創新點
1.實現了一種獨特的相分離電解，完全不相溶的水相和油相組成。
2.PSE中的液液界面可以完全截斷鋅枝晶的生長。

四、數據概覽

圖1 PSE的電化學穩定窗口，并比較了不同電位下的陰極材料。@RSC

圖2 LiFePO₄, LiMn₂O₄, LiNi_0.5Mn_1.5O₄ and LiCoMnO₄正極材料在PSE和WiS電解質中的電化學性能。@RSC

圖3 PSE中Zn枝晶的能量儲存和界面抑制機制。@RSC

圖4 通過界面離子轉移電化學提高PSE的額外電壓，并對各種鋅電池進行比較。@RSC

圖5 含有PSE的Zn∥LiMn2O4的電化學性能。@RSC

五、成果啟示
本文開發了一種獨特的相分離電解質，由完全不相溶的水相和油相組成。堿性水相電解質利用鋅陽極的低電極電位的優勢，油相Py₁₄TFSI-HFE電解質擴展了陰極材料的選擇范圍。此外，界面離子轉移電化學進一步提高了約0.35 V的工作電壓。這種新穎的電解質體系為制造高性能的鋅基電池提供了一種新的方法，并且可以用于其他電池系統，以實現優異的電壓輸出。

文獻鏈接：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
本文由辭書供稿