低成本、長壽命、高功率的二次電池是實現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)模儲能來利用間歇性可再生能源發(fā)電的有效途徑之一。石墨正極具有成本低、環(huán)境友好的特性，而鋅負極具有體積能量密度高、儲量豐富、鋅沉積/溶解過電位低等優(yōu)點，因此結(jié)合鋅負極與石墨正極各自優(yōu)點的鋅/石墨雙離子電池在電網(wǎng)規(guī)模儲能上具有良好的應(yīng)用前景。
青島能源所仿生與固態(tài)能源系統(tǒng)研究組的崔光磊研究員和趙井文副研究員前期基于鋅沉積/溶解的快速動力學(xué)和二(三氟甲基磺酸)亞胺陰離子(TFSI-)嵌入/脫出石墨的贗電容行為，構(gòu)建了基于鋅負極和石墨正極的鋅/石墨雙離子電池，該電池能夠?qū)崿F(xiàn)200C倍率充放電，功率密度高達16.3 kW/kg (J. Power Sources 2020, 457, 227994)。然而，由于陰離子嵌入/脫出石墨的電位較高，導(dǎo)致電解質(zhì)發(fā)生部分氧化分解，限制了該電池的庫倫效率和循環(huán)壽命。
近日，該研究組利用二價鋅離子易與陰離子形成締合離子對這一特點，在Zn(TFSI)2 /EMC（碳酸甲乙酯）電解質(zhì)中通過引入具有強供電子能力的磷酸三甲酯（TMP）溶劑將TFSI-陰離子以締合離子對的形式“束縛”在TMP的溶劑化區(qū)域中，實現(xiàn)了EMC溶劑分子與陰離子的“解耦”分離，降低了氧化穩(wěn)定性較差的EMC-TFSI-的濃度。電化學(xué)測試結(jié)果表明，這種陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控策略可將Zn(TFSI)2/EMC電解質(zhì)的電化學(xué)窗口提高0.45 V，并使鋅/石墨雙離子電池能在2.80 V的高截止電壓下充放電循環(huán)1000次（容量保持率達到92%）。此外，加入TMP后的Zn(TFSI)2/EMC電解質(zhì)仍然保持較高的離子電導(dǎo)率，并具備阻燃性能，這也保證了鋅/石墨雙離子電池具有良好的倍率性能和安全性能。此研究為開發(fā)高電壓碳酸酯類電解質(zhì)提供了建設(shè)性思路。
相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.202010423)上，論文第一作者為青島能源所的博士后陳政。本工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院青促會、大連化物所—青島能源所融合基金等的支持。
調(diào)控陰離子的溶劑化結(jié)構(gòu)來提升電解質(zhì)氧化穩(wěn)定性的示意圖
