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支春義/朱文光/劉瑋書Nature子刊: 顛覆！性能超越常溫的低溫水系鋅離子電池

可充電電池的性能受到工作環境溫度的強烈影響，特別是低溫（例如≤0°C）不利于有效的電池循環，這是一個長期存在的問題。

在此，為了解決上述問題，香港城市大學支春義教授、南方科技大學劉瑋書研究員及中國科學技術大學朱文光教授等人提出了一種低溫水系鋅離子電池（AZIB），該電池由少層Bi₂Se₃納米片（拓撲絕緣體，E-Bi₂Se₃）作為正極、金屬鋅作為負極和防凍聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠電解質組成，其中高濃度鹽與乙二醇一起摻入（表示為HC-EGPAM）。塊狀Bi₂Se₃（P-Bi₂Se₃）通過水熱插層很容易剝離成E-Bi₂Se₃，以增強拓撲表面態的耦合優勢。

令人驚訝的是，Zn||E-Bi₂Se₃電池表現出異常的低溫性能（-20 °C、0.3 A g^-1時的容量高達524 mAh g^-1），甚至優于其在25 °C時的性能（在0.3 A g^-1時的容量為327 mAh g^-1）和所有先前報道的低溫電池的測量值。

圖1. 可充電準固態Zn||E-Bi₂Se₃電池的電化學性能

研究表明，每個分子的E-Bi₂Se₃在25°C放電時最多可容納4個 Zn²⁺，在-20°C時可容納6個 Zn²⁺，同時晶胞參數也大大增加。不尋常的性能歸因于E-Bi₂Se₃的拓撲性質改善了較低溫度下電池反應的動力學，本研究通過觀察到的較高電子電導率和較低溫度下拓撲E-Bi₂Se₃正極的良好離子擴散證實了這一點。

有趣的是，在將Zn²⁺嵌入E-Bi₂Se₃正極后，作者通過進行電化學測試、DFT計算和從頭算分子動力學（MD）模擬揭示了平凡金屬態對放電產物Zn_xBi₂Se₃的增強貢獻。作者相信，開發的拓撲絕緣體電極和在較低溫度下異常出色的電池性能將為生產可在寒冷氣候下長時間運行的電池提供機會，同時將從使用拓撲絕緣體作為電極的角度對低溫電池的研究產生啟發。

圖2. E-Bi₂Se₃正極在電化學循環過程中的結構演變

Few-layer bismuth selenide cathode for low-temperature quasi-solid-state aqueous zinc metal batteries, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-28380-y

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