Nature Energy：安時（Ah）級別的的鋅空氣軟包電池

youyoucao 3年前 (2021-04-17) 2868瀏覽

第一作者：Sambhaji S. Shinde

通訊作者：Sang Uck Lee，and Jung-Ho Lee

通訊單位：韓國漢陽大學

DOI：https://doi.org/10.1038/s41560-021-00807-8

背景

目前，全固態鋅空氣軟包電池可以保證高的能量成本比和內在安全性。然而，尋找自然界富含的高功率/能量比負極材料和超離子電解質仍然是一個極大的挑戰。

研究的問題

本文介紹了由(101)面磷硫化銅[CPS(101)]作為負極的鋅空氣軟包電池，以及作為超離子導體電解質的防凍殼聚糖-生物纖維素。本文所提出的氯化石蠟(101)對可逆氧反應和析氫反應表現出三元活性和穩定性(> 30000個循環)，這明顯優于商業用的鉑碳和氧化釕。此外，利用聚合殼聚糖-生物纖維素的氫氧化物超離子導體顯示出優異的導電性(25°C時為86.7 mS/cm)，這說明其具有很高的機械/化學穩定性。460 Wh kgcell–1/1389 Wh l-1的高電池能量密度通常在20/70%放電深度下循環壽命為6000/1100次。本文所提出的電池能達到的最高密度為523 Wh kgcell–1/1609 Wh l-1。軟包電池在20至80℃的寬溫度范圍內能夠以5–200毫安每平方厘米的速率良好運行。

圖文分析

圖1 |高能ZPCs的設計策略及與商用儲能電池的比較。

要點：

  • 安時規模的零電流電容器是使用對稱結構制造的，其中在約10磅/平方英寸的弱外部壓力下，負極保護系統(101)和電解質(CBCs)位于圖案化鋅正極的兩側(圖1a-d)。這種電池結構有利于構建堅固的固體電解質界面(SEI)。這種SEI是基于沿CBC主鏈的帶負電的有機物質、鋅離子的靜電相互作用和CPS17的強結晶取向之間的協同作用的結果。

圖2 |雙功能電化學（ORR和OER）性能和基于銅負極的動力學。

要點：

  • 本文評估了氯化石蠟(101)與商業鉑/碳(20 wt%)和其他氯化石蠟基催化劑在0.1 M氫氧化鉀電解液中的氧化還原能力。CPS(101)的循環伏安法顯示出明顯的氧還原電位(~0.9 V對RHE)，并且表現出顯著的固有ORR活性。作為電化學性能的基準，線性掃描伏安法顯示出CPS(101)的半波電位(E1/2= 0.90伏)有所改善，其數量級為CF < CP< CS <本體CPS <鉑/碳< CPS(101)(圖2a)。
  • CPS(101)在30000次循環后表現出極大的耐久性，半波電位損失可忽略不計(< 11毫伏)，這優于美國能源部加速耐久性協議(即< 30毫伏的半波電位損失)以及商用鉑碳(圖2b)。

圖3 |電催化CPS活性的理論計算。

要點：

  • 密度泛函理論計算揭示了氯化石蠟(101)表現出優異的HER/OER/ORR催化性能的原因，其中磷和硫之間的空間分離為HER提供了質子和氧化物受體位點，同時為OER/ORR提供了硫離子并且沒有發生嚴重的電子耦合(圖3a)。

圖4 | CPS（101）負極的電荷補償機制。

要點：

  • 用XRD和XANES分析評價了氯化石蠟(101)電化學性能的來源。在充放電過程中，氯化石蠟(101)通過(101)面間晶格間距的可逆變化發生固溶反應，這對應于正交相中晶格間距分別為0.466-0.478納米時的287.2-294.6埃的立方晶胞體積(圖4a，b)。

圖5 |超離子CBC導體的合成與表征。

要點：

  • 通過部分氧化的2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO) CBCs (oCBCs)和1，4-二氮雜雙環[2 . 2 . 2]辛烷季銨化CBCs (qCBCs)之間的交聯，構建批量規模(尺寸約900 cm2)的CBC超離子導體(圖5a)。在相互交聯之前，這兩個關鍵過程(氧化和季銨化)顯著提高了分子量、負電荷密度、抗溶脹性、交聯相容性和與不同有機溶劑的離子識別特性。本文使用1H核磁共振(圖5a，b)分析驗證了每個化學步驟，并且在交聯之后最終獲得了CBC導體。

圖6 |在市售條件下柔性ZPC的電化學性能。

要點：

  • 由于超離子導電性，采用CBCs導體的電池在5–20 mA·cm-2的電流密度下表現出≥1000次循環的高度穩定性，并且沒有任何化學降解(圖6a)，而商用A201表現出23次循環的短壽命。

圖7 | CPS（101）|| CBC || CBC || CBCS || CBC || CPS（101）軟包電池在惡劣條件下的性能。

結語

本文提出并設計的CPS(101)負極、CBC電解質和圖案化鋅正極集成的全固態ZPCs，其表現出穩定的動力學特性、超離子導電性和電化學耐久性。對于商業上的應用來說，1-Ah級ZPCs在實際工作條件下表現出出色的電池級能量密度(約460–523 Wh kgcell–1和約1389–1609 Wh l-1)、循環壽命(> 6000次)、額定容量(5-200毫安每平方厘米)、機械靈活性和工作溫度(20-80℃)。材料和電池組裝方面的關鍵突破為高功率/高能量的快速充電和安全電池鋪平了道路，這在電動汽車和可穿戴設備的應用中可能會超過鋰電池技術。

本文由SSC供稿。

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