汪的华教授课题组在水系锌基电池电极材料取得新进展

发布时间：2021-11-04 17:08 来源：资源与环境科学学院阅读:

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新闻网讯（通讯员魏秀琴）国际著名期刊Advanced Functional Materials（《先进功能材料》，影响因子：18.808）和Advanced Energy Materials（《先进能源材料》，影响因子：29.368），近期发表资源与环境科学学院汪的华教授课题组与华中科技大学蒋凯教授课题组在水系锌基电池领域的最新合作成果。

论文题目分别为“Synergistic Effect between S and Se Enhancing the Electrochemical Behavior of Se_xS_y in Aqueous Zn Metal Batteries”（《硫与硒的协同作用强化Se_xS_y在水系锌基电池中电化学行为》）和 “Electrochemically Activated Cu_2–xTe as an Ultraflat Discharge Plateau, Low Reaction Potential, and Stable Anode Material for Aqueous Zn-Ion Half and Full Batteries”（《电化学激活的超平、超低电位和稳定的Cu_2-xTe负极用于水系锌离子半电池和全电池》）。

武汉大学资源与环境科学学院特聘副研究员李威为第一作者，武汉大学为第一作者单位，汪的华与蒋凯为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、武汉大学人才引进基金、湖北省面上项目的支持。

锂离子电池是我们日常生活中必不可少的电源，但是其存在易燃、易爆、成本较高、污染较大的缺点。以绿色的水溶液为电解质和金属锌为负极的水系锌金属电池，具有安全性高、成本低廉、环境友好等优势，是一类具潜力的电化学储能技术。目前报道的水系锌金属电池正极材料以嵌入式机制为主，能量密度非常有限(<300 Wh kg^-1)，同时负极锌金属又饱受世纪难题锌枝晶的困扰，这些难题限制了其发展和应用。

为了克服上述问题，在正极方面，设计以Se_xS_y固溶体为转化式机制的高比能正极，并且优化电解液成分的策略。研究发现，硒的引入不仅可以提高固溶体的电子电导率，而且由于硫与硒之间存在较强的耦合作用，使得硫硒固溶体的平均放电电位均高于纯硫和纯硒。通过理论计算发现，Se可以调节S的电子密度，能带结构和反应电化学活性，从而促进与Zn的电化学反应。同时，在电解液中添加痕量碘充当氧化还原的媒介，不仅显著改善电极与电解液的兼容性，而且能提高材料的利用率和降低反应极化。通过进一步优化硒含量，发现SeS_5.76的性能相对最优，具有较好的倍率性能和循环性能，而且能量密度高达867.6 Wh kg^-1，该数值显著高于目前报道的绝大多数正极材料。

图1. S-Se固溶体的电化学性能与文献比较

在负极方面，采用Cu2-xTe作为一种新的嵌入式储锌负极材料。研究发现，Cu2-xTe具有0.2 V (vs Zn2+/Zn)的合适电位，可以有效避免锌的沉积和氢气的析出。同时Cu2-xTe表现出较高的可逆容量和优异的循环性能。通过实验表征发现：Zn2+首先插入到Cu2-xTe中，然后Cu2-xTe进一步转化为Cu和ZnTe，而且此过程高度可逆。理论计算表明，Cu2-xTe中的晶体缺陷可以调节其电子结构，提高反应活性，同时降低锌离子的扩散势垒。基于Cu2-xTe负极，报道一种水溶液“摇椅式”Cu2-xTe//Na3V2(PO4)3锌离子全电池，能量密度为58 Wh kg-1，1000次循环后容量保持92%。同时，该负极在与以锌为负极的全电池性能比较中，同样也具有稳定性的优势，证实了Cu2-xTe在电化学方面的可靠性。