【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系副教授曾林團(tuán)隊(duì)及其合作者圍繞水系鋅離子電池(AZIBs)的綜合性能提升展開深入研究，在AZIBs的電解液工程、凝膠電解質(zhì)、鋅負(fù)極和鋅碘電池方向提出了一系列創(chuàng)新策略，并在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了系列進(jìn)展，相關(guān)論文在材料、能源領(lǐng)域高水平期刊Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Electrochemical Energy Reviews、Energy Storage Materials、Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials發(fā)表。
成果一：CuZn納米合金顆粒和石墨烯涂層實(shí)現(xiàn)長壽命鋅負(fù)極
研究團(tuán)隊(duì)針對AZIBs中鋅負(fù)極普遍存在的枝晶生長、副反應(yīng)與析氫等失效機(jī)制，圍繞“界面調(diào)控—沉積引導(dǎo)—多功能保護(hù)”理念構(gòu)建了一系列策略，并設(shè)計了石墨烯片包覆銅鋅納米顆粒(CZPG)結(jié)構(gòu)，利用石墨烯的高導(dǎo)電性和豐富成核位點(diǎn)，結(jié)合CuZn納米顆粒的強(qiáng)親鋅性與氫氣析出抑制能力，形成雙功能界面。CuZn合金的高脫鋅電位與石墨烯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作用，有效調(diào)控鋅離子(Zn²?)的通量分布和沉積動力學(xué)，實(shí)現(xiàn)鋅對稱電池超過1,300h的穩(wěn)定循環(huán)。該研究通過合金-石墨烯混合涂層的界面工程，為開發(fā)高性能水系鋅離子電池提供了新思路，有望推動其在電網(wǎng)規(guī)模儲能等領(lǐng)域的應(yīng)用。該成果以“Synergistic Effects of CuZn Nanoparticles and Graphene for Advanced Zinc Anodes in Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發(fā)表于Small。南方科技大學(xué)為論文第一單位，曾林團(tuán)隊(duì)科研助理吳秀婷為論文第一作者，曾林為通訊作者。
成果二：長達(dá)150,000次循環(huán)的高能量密度和高功率鋅離子混合電容器
針對鋅離子混合電容器(ZICs)能量密度和功率密度不足、儲能機(jī)理復(fù)雜不清的問題，團(tuán)隊(duì)圍繞“材料設(shè)計—模擬計算—機(jī)理探討”提出了一系列研究策略，并面向能量密度、功率密度與超長壽命的協(xié)同提升，提出以水熱耦合雙鹽激活策略制備1nm孔氧摻雜碳電極，最終實(shí)現(xiàn)了鋅離子混合電容器具備135.5Wh kg-1的能量密度與24.00kW kg-1的功率密度，并在150,000次循環(huán)后容量不衰減的目標(biāo)。本研究不僅深化了對ZICs碳基電極電荷存儲機(jī)制的基礎(chǔ)理解，還為多孔碳材料建立了明確的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)，為合理設(shè)計具有高能量密度、高功率密度和超長循環(huán)壽命的下一代高性能ZICs提供了嶄新思路。該成果以“Spatial Confinement Effect and Defect-Dominated Redox Reactions Enhance Energy and Power in Zn-Ion Capacitors with 150,000 cycles”為題發(fā)表于Advanced Energy Materials。南方科技大學(xué)為論文第一單位，南方科技大學(xué)碩士生胡恒源、博士生慕永彪和碩士生鄒支宇為論文共同第一作者，南方科技大學(xué)韓美勝副教授、曾林和趙天壽院士為共同通訊作者。
成果三：±60℃寬溫域鋅離子電池凝膠電解質(zhì)
在凝膠電解質(zhì)方向，研究團(tuán)隊(duì)針對水系鋅離子電池(AZIBs)在寬溫域下循環(huán)的穩(wěn)定性難題，通過分子調(diào)控解決了凝膠電解質(zhì)傳導(dǎo)差、接觸差等問題。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多組分凝膠電解質(zhì)，可在-60℃至60℃極端溫區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過1,500小時的穩(wěn)定運(yùn)行，并維持20mA cm-2的高電流密度。該研究為極端條件下的性能研究提供了參考。該成果以“Robust Piezoelectric-Derived Bilayer Solid Electrolyte Interphase for Zn Anodes Operating from−60 to 60°C”為題發(fā)表于ACS Nano。南方科技大學(xué)為論文第一單位，南方科技大學(xué)博士生慕永彪及碩士生周鈺軻為論文第一作者，倫敦大學(xué)學(xué)院何冠杰教授、清華大學(xué)深圳國際研究生院周光敏教授、曾林為共同通訊作者。
成果四：共溶劑和添加劑協(xié)同實(shí)現(xiàn)低溫長壽命鋅離子電池
針對水系電解液易凍結(jié)難題，研究團(tuán)隊(duì)通過引入甲基磺酰胺-甘油的協(xié)同作用來重構(gòu)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而促成(100)取向的鋅陽極的形成，構(gòu)建出鋅鋅對稱電池。鋅鋅對稱電池展現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，在1mA cm-2時可達(dá)到4,000小時，即使在-20°C的極端條件下，仍可維持超過5,400小時。這一設(shè)計顯著拓寬了AZIBs的運(yùn)行電流和溫度的工作范圍，有效提升了AZIBs的實(shí)用性和低溫適應(yīng)性，為水系電解液低溫易凍結(jié)問題提供了有效的研究路徑。該成果以“Decoding Hydrogen-Bond Network and Facet Engineering Synergy for Cryogenic Durable Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發(fā)表于Nano-Micro Letters。南方科技大學(xué)為論文第一單位，曾林團(tuán)隊(duì)科研助理韋錫炎及桂林理工大學(xué)碩士生管錦鵬為論文第一作者，慕永彪博士、曾林以及桂林理工大學(xué)臧利敏教授、蘇州大學(xué)孫靖宇教授為共同通訊作者。
該系列研究工作從材料、界面到系統(tǒng)集成等多個層面，系統(tǒng)攻克了水系鋅離子電池在能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性及適用性方面的關(guān)鍵瓶頸，不僅為其工程化推廣提供了扎實(shí)的理論依據(jù)與技術(shù)方案，也為加速構(gòu)建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)、服務(wù)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)貢獻(xiàn)了重要的科研力量。
以上系列研究工作均得到了國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目、深圳市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，以及南方科技大學(xué)公共分析測試中心的大力支持。
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