我所开发出超低温无负极锌离子电池

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近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队和韩国延世大学Sang-Young Lee教授、高丽大学Sang Kyu Kwak教授等合作，在超低温锌离子电池研究中取得新进展。合作团队在水系电解质中引入软酸/硬碱两性离子，增强了电解质-电极界面的抗冻性质，以此构建出无负极、超低温锌离子全电池。

锌离子电池作为一种高安全、低成本新型电化学储能器件，受到了广泛关注。从2017年开始，508组研究团队在高性能锌离子电池关键材料与器件研制方面开展了较为系统的研究：开发出高活性位点、高容量和高倍率V₂O₅/石墨烯二维材料（Adv. Energy Mater.，2020；Energy Storage Mater.，2020），构建了快速离子-电子网络结构；提出了模板法合成了一系列二维介孔材料，有效调控了电极-电解质界面，构建了无枝晶高稳定锌负极（Small，2022；Nat. Commun.，2021）；发展了丝网印刷、3D打印、微流控辅助、模板辅助技术，构建了高容量锌离子微型电池/电容器（Natl. Sci. Rev.，2020；Adv. Energy Mater.，2022；Adv. Energy Mater.，2023；Adv. Energy Mater.，2020）等。然而，低温下水活度降低、电解液粘度增加、界面反应动力学及传质动力学缓慢等问题，导致了界面处严重的浓差极化。同时，阴阳离子之间的静电作用力的增大，导致水系电解液低温下容易固化，进而阻碍了低温下的离子迁移以及电解液低温下（<-30℃）的热力学稳定性。因此，如何发展低温下高离子电导的水系电解液，以此构建低温环境下的高性能锌离子电池，仍面临很大挑战。

本工作中，合作团队提出了一种通过两性离子重组水系电解质溶剂化结构的新策略，增强了电解质-电极界面的抗冻性质和 Zn²⁺脱溶剂化动力学。团队根据软硬酸碱（HSAB）原理系统地探索了软酸/硬碱两性离子的分子界面相互作用，优化并筛选出弱酸性阳离子和强碱性阴离子结合的2-(三甲基铵基)乙酸酯（TAA，[N(CH₃)³] +CH₂[COO]^-）为最佳两性离子。研究发现，在水系电解质（三氟甲磺酸锌盐，Zn(OTf)₂）中，TAA可以与水分子以及从 Zn(OTf)₂盐中离解出的阳离子/阴离子配位，从而破坏了水分子氢键网络，削弱了 Zn²⁺-OTf^-的相互作用，破坏了溶剂化壳的稳定性。该电解质（4m Zn(OTf)₂ + 3m TAA）增强了低温下抗冻性质，固液转变温度降至 -95℃。利用此电解质，Zn||Cu非对称电池实现了稳定的锌沉积/溶解，在25 ℃和-40 ℃下，实现了99.93%和99.8%的高库伦效率。进一步，团队构建的无阳极锌离子电池即使在-40 ℃下，仍能提供高能量密度142Wh/kg和高功率密度230W/kg。该工作为构建超低温、无负极锌离子全电池提供了新思路。

相关研究成果以“Restructuring of aqueous electrolytes using a soft-acidic/hard-basic zwitterion for low-temperature anode-free Zn batteries”为题，发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上。上述工作得到国家自然科学基金、我所创新基金等项目的资助。（文/图 王潇）

文章链接：https://doi.org/10.1039/d3ee02535g