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聚合物电解质在锌离子电池中的研究进展

化工进展 2023年第3期42卷 1397-1410页

作者：张艺璇胡伟刘梦瑶鞠敬鸽赵义侠康卫民天津工业大学纺织科学与工程学院分离膜与膜过程国家重点实验室天津300387

锌离子电池(ZIBs)具有环境友好、高安全性和低成本等优势,然而,锌负极的枝晶生长和水系电解质的固有挑战(如水分解反应、水蒸发和电解质泄漏)使其在实际使用中循环稳定性较差。聚合物电解质拥有较低的水含量和较高的弹性模量,能够有效... 详细信息

锌离子电池(ZIBs)具有环境友好、高安全性和低成本等优势,然而,锌负极的枝晶生长和水系电解质的固有挑战(如水分解反应、水蒸发和电解质泄漏)使其在实际使用中循环稳定性较差。聚合物电解质拥有较低的水含量和较高的弹性模量,能够有效克服上述挑战。本文基于聚合物电解质的基本原理,综述了聚合物电解质在ZIBs中的研究进展,介绍了近年来用于改善固态聚合物电解质电化学性能及力学性能的各种策略,分析对比了不同策略的作用机理及应用进展。阐述了凝胶态聚合物电解质在ZIBs的应用及功能性凝胶电解质的研究现状,展示了其在柔性智能电子设备的应用前景。最后,本文就开发基于聚合物电解质的高性能ZIBs提出挑战,如离子导电性与机械强度不足、界面问题及功能单一等,并提出了克服这些挑战的展望,以期为ZIBs中聚合物电解质的研究提供参考和借鉴。

关键词：锌离子电池锌枝晶电解质聚合物安全

本征安全水系锌离子电池的新进展:锌负极晶面调控

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化工进展 2023年第5期42卷 2504-2515页

作者：张志成韩大量樊丁辉陶莹翁哲杨全红天津大学化工学院天津大学化学工程(联合)国家重点实验室天津化学化工协同创新中心天津300072 物质绿色创造与制造海河实验室天津300192

水系锌离子电池环境友好、成本低廉,是一种极具发展潜力、本征安全的电化学储能技术。对于实用化的锌离子电池,负极端金属锌的不均匀沉积所引起的枝晶问题会导致电池短路,严重限制了电池的循环寿命,是这种新型电池走向产品化的重要瓶颈... 详细信息

水系锌离子电池环境友好、成本低廉,是一种极具发展潜力、本征安全的电化学储能技术。对于实用化的锌离子电池,负极端金属锌的不均匀沉积所引起的枝晶问题会导致电池短路,严重限制了电池的循环寿命,是这种新型电池走向产品化的重要瓶颈。构建(002)晶面择优取向的锌负极被认为是抑制枝晶生长、提升电极库仑效率的有效手段。回溯近期有关金属锌负极的研究,本文首先概述了金属锌的电极过程和沉积形貌的影响因素,基于此从基底设计、涂层设计、电解液设计三个方面,着重总结了(002)晶面择优取向锌负极的设计策略和作用原理,最后展望了(002)晶面择优取向金属锌负极面临的挑战和未来发展方向,特别指出应在面向实用化锌离子电池的条件下评估金属锌负极的电化学性能和改性效果。

关键词：水系锌离子电池金属锌负极锌枝晶晶面调控水平取向

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水系锌离子电池的最新研究进展

材料导报 2022年第17期36卷 1-7页

作者：孙晴高筠华北理工大学化学工程学院河北唐山063210

电化学储能具有能量密度高、响应时间快、维护成本低、安装灵活方便等特点,是未来储能技术的热点发展方向。近年来,锌离子电池由于其成本低廉、比容量高等优点,具有良好的发展前景。水系锌离子电池正极主要有钒基化合物、锰基化合物和... 详细信息

电化学储能具有能量密度高、响应时间快、维护成本低、安装灵活方便等特点,是未来储能技术的热点发展方向。近年来,锌离子电池由于其成本低廉、比容量高等优点,具有良好的发展前景。水系锌离子电池正极主要有钒基化合物、锰基化合物和普鲁士蓝类似物;负极主要为锌负极;电解液包括水凝胶电解液、离子液、盐包水电解液和具有添加物的电解液。然而,对正极材料而言,锰基化合物中的Mn^(2+)溶解、钒基化合物放电电压过低、普鲁士蓝类似物比容量较低都影响了锌离子电池的性能。锌电极作为锌离子电池负极面临的挑战主要包括:(1)锌枝晶生长;(2)电解液持续消耗和自放电问题;(3)不可逆副产物的产生。水系电解液在充放电过程中会发生水分解及蒸发,影响电池性能。研究者近年来致力于通过掺杂其他元素、表面涂覆与包覆等方式制备新型电极材料来改善水系锌离子电池正极,通过界面修饰、进行新型锌负极的三维结构设计以及新型电解液的设计研发来减少锌枝晶产生,同时向电解液中添加其他溶液可以拓宽电化学窗口,以得到高性能的水系锌离子电池。目前,向正极材料中掺杂钙、镁、钴等元素和表面包覆以聚吡咯为主的高分子导电聚合物制备的新型电极材料已被成功应用。金属离子合适比例的掺杂不仅可以提高材料容量,同时也形成了有利于Zn^(2+)脱嵌的稳定结构。对锌负极修饰如二氧化钛(TiO_(2))、金纳米颗粒、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的表面镀层,或在电解液中添加合适的添加剂,能够提高锌负极的可逆性和稳定性,抑制锌枝晶的生长。上述方法可以直接或间接地提高水系锌离子电池的循环稳定性和库仑效率。本文首先介绍了锌离子电池概况,然后重点阐述了目前水系锌离子电池正极材料、负极材料、电解液和隔膜的研究进展,包括各方面存在的挑战及现有的解决策略,最后对水系锌离子电池电极材料、电解液和隔膜未来的发展进行了展望,为开发制备高性能水系锌离子电池提供了思路。

关键词：水系锌离子电池锌枝晶

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水系锌离子电池的稳定性优化策略

稀有金属 2022年第6期46卷 753-775页

作者：甘億王聪李敬迎郑俊杰万厚钊王浩湖北大学微电子学院湖北武汉430062 湖北江城实验室湖北武汉430205

随着全球的环境恶化日益加剧,如何提高可再生能源的利用效率逐渐受到人们的关注。其中,水系锌离子电池相比锂离子电池及其他离子电池,在安全性和低成本等方面表现较为出色而成为当前研究热点。然而,水系锌离子电池面临着阴极材料的性能... 详细信息

随着全球的环境恶化日益加剧,如何提高可再生能源的利用效率逐渐受到人们的关注。其中,水系锌离子电池相比锂离子电池及其他离子电池,在安全性和低成本等方面表现较为出色而成为当前研究热点。然而,水系锌离子电池面临着阴极材料的性能衰减、锌阳极的枝晶、副反应以及电解液消耗等问题,导致循环稳定性低,使其应用受到极大的限制。目前,针对水系锌离子电池循环稳定性低的优化策略方面还没有得到系统的总结和归纳。本文针对循环稳定性的优化这一问题,从阴极的空位、掺杂、包覆、复合和阳极的3D结构、表面改性、无锌金属设计还有电解液的离子诱导、去溶剂化结合水、原位固体电解质界面(SEI)以及隔膜和集流体的材料设计等角度,分别对水系锌离子电池阴极材料、锌阳极和电解液等方面进行了系统性的总结。并且,本文还提出了相关优化策略仍需探究的机制、适用材料体系等问题,最后对未来的研究方向做出展望。

关键词：水系锌离子电池循环稳定性电极材料锌枝晶电解液

甘氨酸电解液添加剂对水系锌离子电池电化学性能的影响

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无机化学学报 2023年第8期39卷 1501-1509页

作者：唐晓宁夏澍罗秋洋刘珺楠杨兴富邵姣婧薛安贵州大学材料与冶金学院贵阳550025 贵州师范大学材料与建筑学院贵阳550025

水系锌离子电池因其高安全性、高容量、低价格等优点,有望成为下一代规模储能设备。然而,副反应、锌枝晶和有限的使用寿命阻碍了其实际应用。我们将电解质添加剂甘氨酸(Gly)引入到常规水系ZnSO4电解质中。Gly中的极性基团(-COOH和-NH_(... 详细信息

水系锌离子电池因其高安全性、高容量、低价格等优点,有望成为下一代规模储能设备。然而,副反应、锌枝晶和有限的使用寿命阻碍了其实际应用。我们将电解质添加剂甘氨酸(Gly)引入到常规水系ZnSO4电解质中。Gly中的极性基团(-COOH和-NH_(2))可以调节Zn^(2+)的溶剂化结构,从而重新分配Zn2+的沉积以避免枝晶和副反应发生。结果表明,在ZnSO_(4)电解质中添加50 mmol·L^(-1)的Gly后(ZnSO4-Gly),Zn||Zn对称电池在1 mA·cm^(-2)和1 mAh·cm^(-2)下,表现出良好的循环寿命(3 000 h),明显高于使用ZnSO_(4)电解质的性能(300 h)。以ZnSO_(4)-Gly为电解液的Zn||MnO2全电池,在比电容和倍率性能方面比无添加剂器件表现得更好。

关键词：水系锌离子电池电解液添加剂甘氨酸锌负极锌枝晶

构筑具有高效化学吸附作用的人工固体电解质界面层促进金属锌负极的均匀沉积

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Science China Materials 2022年第3期65卷 663-674页

作者：张晶晶彭威金俊弘杨胜林余爱水李光 State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials College of Materials Science and EngineeringDonghua UniversityShanghai 201620China Laboratory of Advanced Materials Institute of New Energy and Department of ChemistryCollaborative Innovation Center of Chemistry for Energy MaterialsShanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative MaterialsFudan UniversityShanghai 200438China

目前,锌-空气电池的商业化应用受限于锌枝晶的生长和氧化锌钝化层的形成.本文通过构筑三维多孔多纳米通道碳复合纤维(HMCNF)作为锌负极人工固体电解质界面层来解决这一问题.其中,均匀负载的TiO_(2)纳米颗粒和氮掺杂基团有效改善了锌的... 详细信息

目前,锌-空气电池的商业化应用受限于锌枝晶的生长和氧化锌钝化层的形成.本文通过构筑三维多孔多纳米通道碳复合纤维(HMCNF)作为锌负极人工固体电解质界面层来解决这一问题.其中,均匀负载的TiO_(2)纳米颗粒和氮掺杂基团有效改善了锌的分布和吸附过程,从而有利于锌沉积过程中界面类电容行为的发生;同时,三维多孔多纳米通道的微观结构也使得电场在电极/电解液界面得以均匀分布.因此,锌的沉积溶解过程得到有效调控.与未添加人工界面层的锌负极相比,基于HMCNF界面层的锌负极的碱性锌-空气电池的电化学性能得到明显提升.这种基于优化表面吸附来调控金属沉积溶解动力学的策略也可进一步推广至其他金属负极体系来提高其电化学性能.

关键词：固体电解质界面锌负极钝化层电容行为商业化应用电化学性能金属沉积锌枝晶

水系锌离子电池负极集流体关键问题及设计策略

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化学学报 2023年第1期81卷 29-41页

作者：姬慧敏谢春霖张旗李熠鑫李欢欢王海燕中南大学化学化工学院长沙410083 河南师范大学化学化工学院新乡453007

水系锌离子电池具有成本低廉、环境友好、安全、能量密度较高等特点,有望应用于大规模电化学储能装置.然而,目前使用的商业化锌箔负极相对正极活性材料大大过量,显著降低了电池的能量密度,且存在严重的穿孔和极耳脱落等问题.使用集流体... 详细信息

水系锌离子电池具有成本低廉、环境友好、安全、能量密度较高等特点,有望应用于大规模电化学储能装置.然而,目前使用的商业化锌箔负极相对正极活性材料大大过量,显著降低了电池的能量密度,且存在严重的穿孔和极耳脱落等问题.使用集流体负载锌作为负极可有效提高放电深度,同时避免电极穿孔失效.但是,集流体界面易产生锌枝晶与副反应,严重影响电池的循环寿命.本综述首先分析了锌枝晶与副反应的产生原因及其对锌负极电化学性能的影响,并从集流体材料成分选择与结构构建两方面总结了锌负极集流体的设计思路,包括选择亲锌性材料、设计择优取向基底与构建三维集流体结构.设计合适的集流体可有效调控锌金属的沉积与剥离行为,从而推进水系锌离子电池的实用化.

关键词：锌负极集流体锌枝晶亲锌性择优取向三维结构

一种用于长寿命水系锌锰电池的海藻酸钠/二氧化硅准凝胶复合电解质

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无机材料学报 2020年第8期35卷 909-915,I0003-I0005页

作者：李雪渊王宏刚田柱朱建辉刘影贾兰尤东江李向明康利涛太原理工大学材料科学与工程学院太原030024 烟台大学环境与材料工程学院烟台264005 潍柴动力股份有限公司潍坊261001

锌锰(Zn-MnO2)电池具有高安全性、高环保性、高性价比的优点,适用于大规模储能电池。然而,金属锌负极在充放电中会因为"尖端效应"而产生锌枝晶,造成电池容量衰减甚至短路失效。本研究通过添加亲水性纳米二氧化硅(SiO2)和海藻酸钠(SA)将... 详细信息

锌锰(Zn-MnO2)电池具有高安全性、高环保性、高性价比的优点,适用于大规模储能电池。然而,金属锌负极在充放电中会因为"尖端效应"而产生锌枝晶,造成电池容量衰减甚至短路失效。本研究通过添加亲水性纳米二氧化硅(SiO2)和海藻酸钠(SA)将电解质转化为准凝胶电解质,有效抑制了锌负极表面的枝晶生长,以及由之造成的Zn-MnO2电池性能衰减。恒流充放电测试结果表明,采用准凝胶电解质的Zn-MnO2电池在1800次循环后容量保留率可达78%,而使用普通电解质的Zn-MnO2电池在1000次循环后容量已基本衰减为0。进一步探究准凝胶电解质对锌沉积行为的影响,发现准凝胶电解质的三维网络结构可以提高锌离子分布的均匀性,降低电池容量衰减速度与失效风险。

关键词：锌锰电池锌枝晶准凝胶电解质海藻酸钠二氧化硅

碳基锌离子电容器正负极间距对其电化学性能的影响

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材料科学与工程学报 2023年第2期41卷 200-206,281页

作者：胡鹏云张馨壬罗先游黄红琳陈永海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室海南省硅锆钛资源利用研究省重点实验室海南海口570228 佛山科学技术学院材料科学与氢能学院广东佛山528000

本研究通过增加隔膜层数来增加正负极的间距以提高锌离子混合超级电容器(ZIC)的循环寿命,并计算出相应的枝晶生长速率。结果表明,四层隔膜的ZIC在1 A·g^(-1)的电流密度下,循环寿命可达20000圈,充放电时长达170 h,是单层隔膜的200倍。... 详细信息

本研究通过增加隔膜层数来增加正负极的间距以提高锌离子混合超级电容器(ZIC)的循环寿命,并计算出相应的枝晶生长速率。结果表明,四层隔膜的ZIC在1 A·g^(-1)的电流密度下,循环寿命可达20000圈,充放电时长达170 h,是单层隔膜的200倍。正负极间距会导致ZIC的比容量变化。当电流密度为0.1 A·g^(-1)时,单层隔膜,双层隔膜,三层隔膜,四层隔膜的比电容分别为262,230,218和207 F·g^(-1)。当电流密度为10 A·g^(-1)时,不同层数隔膜的比电容分别为90,75,68和42 F·g^(-1)。由于正负极间距的增加,延缓了锌枝晶生长刺穿隔膜的时间,从而大大提高了ZIC的循环寿命。

关键词：锌离子混合电容器隔膜锌枝晶比电容