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?喬世璋Angew.:低成本且不易燃的共晶電解質用于先進 Zn-I2電池

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共晶電解液作為一種新興電解液體系,在能源儲存領域受到廣泛關注。然而,迄今為止,所有報道的鋅電池中使用的共晶電解液都基于ZnCl2、Zn(CF3SO3)2、Zn(TFSI)2等鹽類,而非ZnSO4·7H2O。然而,這些電解液存在嚴重的安全隱患和高昂的價格。因此,開發一種高度安全且經濟實惠的共晶電解液變得尤為迫切。
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在此,阿德萊德大學喬世璋院士團隊基于之前的工作進一步探究了ZnSO4·7H2O晶體在不同溶劑下的溶解度。結果表明ZnSO4·7H2O晶體在多元醇中,如乙二醇(EG)、丙二醇(PG)和甘油,溶解度很高。在乙二醇中,ZnSO4·7H2O晶體的溶解度(~4.5m)竟然高于純水溶劑 (~3.5m)。
研究表明ZnSO4·7H2O晶體可以與多元醇形成共晶電解液。以ZnSO4·7H2O晶體和丙二醇(PG)的水合共晶電解液(簡稱HEE)為例,通過運用分子動力學模擬和密度泛函理論計算,揭示了多元醇與鋅之間的溶劑化機制。相對于純水系ZnSO4電解液,HEE具有更低的I離子溶解度,有效地遏制了電池運行過程中I3和I5的產生。
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圖1. ZnSO4基HEE
總之,該工作報道的丙二醇基水合物的共晶電解質,具有顯著的防火性能和非常低的價格,價格達到ZnCl2/Zn(CF3SO3)2/Zn(TFSI)2的<1/200。此外,HEE可以推遲氫析出反應的啟動電位,并顯著抑制枝晶的生長,確保了鋅負極可達到99.9%的高庫侖效率(CE),并且具備超過2000小時的循環壽命。在極端低溫條件下(-30°C),HEE電解液仍然能夠保持超過1000個循環,同時展現出優異的抗凍性能。
值得注意的是,與傳統的水/有機混合電解液不同,HEE電解液由于多元醇的高溶劑化能力,具備了非易燃的特性,從而保障了鋅電池的使用安全。這種新型電解液的卓越特性不僅使得鋅-碘電池在嚴苛的工作環境下具有潛力,還使其在大規模應用方面更加切實可行,例如用于具備33.3 mg cm?2高負載的軟包電池500次循環后的容量仍高達96.7 %,比其他溶液電池的性能更好。因此,該項工作顯著拓寬了共晶電解質的種類,有助于設計新型Zn電池。
?喬世璋Angew.:低成本且不易燃的共晶電解質用于先進 Zn-I2電池
圖2. 全電池表征
Low-cost and Non-flammable Eutectic Electrolytes for Advanced Zn–I2 Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202310284

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