海洋科学与工程学院史晓东&田新龙教授团队在Angewandte Chemie International Edition发表高性能水系电池研究论文

近日，海洋科学与工程学院史晓东副教授所在团队在能源化学领域顶级期刊Angewandte Chemie International Edition (IF=16.1)发表题为“Simultaneous Inhibition of Vanadium Dissolution and Zinc Dendrites by Mineral-Derived Solid-State Electrolyte for High-Performance Zinc Metal Batteries”的研究论文。周传聪博士为论文第一作者，史晓东副教授和田新龙教授为论文通讯作者，海南大学海洋科学与工程学院为论文唯一通讯单位。

水系锌离子电池具有环境友好、高安全、低成本和高比容量等优点，是近些年蓬勃发展的电化学储能器件。与锂离子电池结构类似，水系锌离子电池同样由正极、负极、电解质和隔膜等构成，其中正极材料是决定电池工作电压、能量密度、循环寿命等电化学性能的关键。在众多正极材料中，钒基氧化物种类丰富、结构灵活、比容量高，且在大电流密度条件下（＞5C，1C=425.5 mA g-1）具有优异的循环和倍率性能，成为水系锌离子电池正极材料领域的研究热点。然而，钒基正极材料在小电流密度条件下（＜1C）严重的钒溶解行为，破坏了其晶体结构稳定性，降低了容量保持率，成为制约其应用的主要瓶颈。通过优化设计固体电解质，能够最大限度地降低电池体系中自由水和结构水分子含量，从而同步实现抑制锌负极界面副反应和钒基氧化物正极钒溶解的目的，有效提高电池循环稳定性，延长电池使用寿命。

本论文以层状天然矿物质高岭土为原材料创制锌基电池固体电解质(KL-Zn)，针对其材料特性和电化学性能进行了深入探究。实验结果表明，KL-Zn电解质具有宽电压窗口（2.73 V）、高离子电导率（5.08 mS cm-1）和高锌离子迁移数（0.79），同时兼具电子绝缘体和锌离子导体属性。由KL-Zn电解质组装的Zn//Zn对称电池在0.2 mA cm-2低电流密度下能够实现长达2200 h的可逆循环；由其组装的Zn//NH4V4O10全电池在0.2 A g-1下循环200次后容量可稳定在245.8 mAh g-1，容量保持率高达81%，表明KL-Zn电解质能够同时维持锌金属负极界面和NH4V4O10正极晶体结构稳定性。理论计算结果证明，上述优异的电化学性能主要归因于锌离子在KL-Zn固态电解质中的贫(脱)溶剂化过程和快速扩散动力学，有效地保证了锌负极侧均匀的锌沉积/剥离行为和NH4V4O10正极侧锌离子的可逆脱嵌反应（图1）。此外，本论文同步调研了KL-Zn固态电解质在Zn//MnO2电池和Zn//I2电池体系的应用可能性，进一步证实了矿物质基固体电解质在锌基二次电池中的普适性和优越性。

图1 KL-Zn固态电解质对锌金属负极和NH4V4O10正极的作用机制示意图

该研究工作得到了海南大学海洋科技协同创新基金（XTCX2022HYC14）、国家自然科学基金（52274297, 52164028）、海南省院士创新平台（YSPTZX202315）和海南大学高层次人才科研启动基金（KYQD(ZR)-23069，KYQD(ZR)-23169，KYQD(ZR)-20008）的资助支持。此外，材料微观结构和反应机制的表征测试也得到了海南大学皮米电子显微镜中心的帮助。

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