水系锌碘电池(Zn
I2电池)的正、负极均通过溶解-沉积反应储存电荷,具有能量/功率密度高、反应速度快、电位平稳、使用安全性高等突出优点,是一类重要的水系二次电池。然而,Zn
I2电池中也存在诸多副反应过程:
1)单质I2正极与其放电产物I-离子会络合形成可溶性I3-离子(I2+I-→I3-),并穿透电池隔膜,与Zn负极发生自放电反应(I3-+Zn→Zn2++I-);
2)水系电解液中水分子腐蚀Zn负极,带来表面钝化、电解液分解、电池内压增大等问题,引起电池性能衰减;
3)电解液中Zn2+离子在“尖端效应”作用下,在Zn负极凸起处聚集并优先沉积;生长出的Zn枝晶,既可能刺穿隔膜,导致电池短路失效;也可能从根部断裂,失去电接触而转化成为不贡献容量的“死Zn”。
综合可知,Zn
I2电池中几乎所有的有害副反应都发生在锌负极/电解液界面上。采用功能性保护层修饰锌负极,是全面抑制Zn
I2电池副反应最为直接有效的方法之一。这些锌负极修饰层不仅需要能够抑制Zn负极的腐蚀、钝化,以及I3-穿梭引起的自放电和电池容量衰减问题;还需要能够快速、均匀传导Zn2+,保证电池正常充放电,并抑制Zn枝晶生长。
近日,烟台大学康利涛、姜付义课题组联合上海硅酸盐研究所刘建军教授,提出了一种利用沸石保护层大幅度提升Zn
I2电池综合性能的创新策略。该沸石保护层具有优良的阳离子交换能力,不仅能够均匀传导Zn2+,避免Zn2+聚集与Zn枝晶生长;还能够屏蔽阴离子和水分子,抑制I3-穿梭和Zn负极腐蚀。采用该策略获得的Zn
I2电池,兼具高容量(mAhg-1
0.2Ag-1)、高库伦效率(99.76%2Ag-1)、高循环稳定性(次循环容量保持率91.92%)、以及低自放电率(50h静置后,容量保持率83%)。为验证该策略的实用性,该团队还构建了超高碘负载量(13.3mgcm-2)的ZnI2电池,展示了该方案的技术效果。
与现有研究相比,该工作在实现相近电化学性能的同时,保留了Zn
I2电池的低成本和高环保性优势。此外,DFT计算表明,通过优化沸石微观结构,有望进一步提高该方法的技术效果。该文章于近期发表在知名国产期刊NanoMicroLetters(