【DFT+实验】Angew：低温锌金属电池的局部阴阳离子聚集加速水电解质—Jian Yang

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【DFT+实验】Angew：低温锌金属电池的局部阴阳离子聚集加速水电解质—Jian Yang

【论文链接】

https://doi.org/10.1002/anie.202315834

【作者单位】

山东大学

【论文摘要】

由于其安全性高、材料资源丰富、成本低等特点，适用于大规模储能。然而，水电解质的冻结阻碍了电池的低温运行。本文研制了以Zn(BF₄)₂为盐，以四氢呋喃(THF)为稀释剂的水溶液局域阴离子-阳离子聚集电解质，以提高Zn阳极的低温性能。THF促进BF₄包裹在Zn2⁺的溶剂化鞘中，有利于形成富ZnF₂的固体电解质界面相。THF还会影响相邻H₂O分子之间的氢键，有效降低凝固点。因此，在40℃下，聚苯胺锌(PANI)电池具有8000次的超长循环寿命和99.99%的平均库仑效率。令人印象深刻的是，在40℃下循环500次后，袋状电池的容量保持率高达86.2%，这表明了这种电解质在寒冷地区的巨大前景。本文工作为低温水溶液电解质的设计提供了新的见解。

【实验方法】

电解液的制备：

将Zn(BF₄)₂在去离子水中搅拌溶解，制得1 M Zn(BF₄)₂碱性电解质BE。将Zn(BF₄)₂溶解于H₂O和THF(体积比为1:4)的混合物中，得到局域阴离子-阳离子聚集的水溶液电解质(1 M Zn(BF₄)₂ in H₂O/THF)。

【图文摘取】

【主要结论】

本文为了提高Zn(BF₄)₂和THF在低温下的电化学性能，开发了一种由Zn(BF₄)₂和THF组成的水溶液电解液。研究表明：

(1)使用THF作为稀释剂可以使BF4参与溶剂化结构，诱导在Zn阳极上形成富ZnF₂的SEI层，这种变化也有利于后续的脱溶，促进低温下锌的均匀沉积。

(2)SEM表征和COMSOL模拟表明了该电解液在低温-40℃下促进均匀的锌沉积。这种电解液大大降低了高浓度电解质的成本，降低了解离能垒，并避免了循环过程中的有机物的消耗，而这在低温下的锌负极中是首次报道

(3)THF破坏了水电解质的氢网络，降低了冰点，使用LACA的Zn||Cu电池在2500次循环中表现出99.7%的高CE稳定循环。

总体而言，本文复合电极的制备为解决锌负极的关键问题提供了理想的解决方案，并为金属锌电池的商业应用提供了重要的见解。

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