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許康/王春生等ACS Energy Lett.:里程碑!液化氣電解液實現高效鋅金屬負極!

許康/王春生等ACS Energy Lett.:里程碑!液化氣電解液實現高效鋅金屬負極!
可充電鋅金屬電池(RZMBs)的實際應用受到Zn負極可逆性差的阻礙,這會導致庫侖效率 (CE) 降低且鋅枝晶生長在低溫下會因電荷和傳質動力學的惡化而惡化。
許康/王春生等ACS Energy Lett.:里程碑!液化氣電解液實現高效鋅金屬負極!
在此,美國陸軍研究實驗室許康研究員、Oleg Borodin,馬里蘭大學王春生教授及美國South 8科技公司Cyrus S. Rustomji等人展示了一種基于氟甲烷(CH3F, FM)和二氟甲烷(CH2F2, DFM)混合物的液化氣電解液(0.1 M Zn(TFSI)2),該電解液在很寬的溫度范圍(-60~20 °C)內顯示出優異的電導率(> 3.4 mS cm-1)且實現高度可逆的鋅循環。
在室溫和-20°C下超過200次循環(>400 小時)均無短路行為,平均庫倫效率(CE)大于99.3%,每個循環的鋅利用率為20%。這是一個重要的里程碑,正在接近金屬電池負極的商業需求。
許康/王春生等ACS Energy Lett.:里程碑!液化氣電解液實現高效鋅金屬負極!
圖1. 不同溫度下Zn金屬在液化氣電解液中的電化學性能
此外,當Zn與HNVO插層正極配對時,觀察到基于該電解液的全電池異常高的比容量。作者對SEI和CEI的Zn金屬形態和化學性質進行了徹底分析,以了解該電解液實現優異Zn可逆性和穩定的全電池性能的起源。
DFT計算表明,由于液化氣電解液的分解,負極上形成了富含ZnF2的中間相,從而使這種改進受益。這種概念具有很強的適應性,進一步研究(如電解液組成優化和容量衰減機制)可以實現不同溫度下性能的進一步改進,這種獨特的方法為高能RZMB以及其他可充電多價金屬電池提供了一條有前途的途徑。
許康/王春生等ACS Energy Lett.:里程碑!液化氣電解液實現高效鋅金屬負極!
圖2. ?HNVO|Zn全電池中的電解液性能及正極循環的化學分析
High-Efficiency Zinc-Metal Anode Enabled by Liquefied Gas Electrolytes, ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02084

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