中大新聞網(wǎng)訊（通訊員楊功政）水系鋅離子電池是一種環(huán)保、安全的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中錳基正極材料具有較高的理論比容量和工作電壓等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。然而，該類(lèi)材料存在電子導(dǎo)電性差、Zn2+反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹和正極材料溶解等問(wèn)題，導(dǎo)致了其比容量迅速衰減、循環(huán)穩(wěn)定性差，從而限制了其在電池體系中的應(yīng)用價(jià)值。
近年來(lái)，針對(duì)這些問(wèn)題，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊功政副教授、王成新教授團(tuán)隊(duì)采用了構(gòu)建復(fù)合材料（ACS Energy Lett. 2023, 8, 4085）和電解液添加劑設(shè)計(jì)（Nat. Commun. 2023, 14, 3591; Energy Storage Mater. 2020, 29, 246）等策略對(duì)錳基材料進(jìn)行改進(jìn)，并取得良好的改性效果。然而，錳的溶解問(wèn)題依然無(wú)法完全避免。此外，在深入探索含ⅠB族元素（Cu、Ag）的儲(chǔ)鋅正極材料的過(guò)程中，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種取代/嵌入共反應(yīng)機(jī)制（Small Methods, 2019, 3, 1900637; ACS Nano, 2019, 13, 12081）。他們發(fā)現(xiàn)，這些元素在特定的條件下，會(huì)隨著水合鋅離子的嵌入而以金屬單質(zhì)的形式析出。這一過(guò)程顯著提升了材料的導(dǎo)電性，進(jìn)而優(yōu)化了電池的整體性能。值得注意的是，盡管當(dāng)前對(duì)于IB族元素從材料中釋放到電解液中的過(guò)程有所研究，但對(duì)于這一過(guò)程對(duì)整個(gè)器件，尤其是鋅金屬負(fù)極的影響規(guī)律的相關(guān)研究尚屬空白。
近日，該團(tuán)隊(duì)在上述研究工作的基礎(chǔ)上提出了一種全新的正極材料設(shè)計(jì)策略，旨在同步提高正極和負(fù)極的穩(wěn)定性。具體來(lái)說(shuō)，選用本征晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的錳酸銅（CuMn2O4）作為正極材料，這種材料在循環(huán)過(guò)程中能保持良好的尖晶石結(jié)構(gòu)。當(dāng)Zn2+離子嵌入時(shí)，Cu2+離子會(huì)從CuMn2O4中提取出來(lái)，并原位還原為Cu0，這不僅增加了電池的容量，還改善了電導(dǎo)率。在充電過(guò)程中，Cu2+離子會(huì)遷移至鋅負(fù)極表面，并最終通過(guò)電沉積在鋅金屬表面原位形成銅鋅（Cu-Zn）合金。該Cu-Zn合金層利用了合金化效應(yīng)，成功緩解了鋅在循環(huán)過(guò)程中的晶格扭曲，同時(shí)，與鋅襯底的結(jié)合力強(qiáng)，不易剝落。這種合金層顯著降低了鋅負(fù)極與電解液的接觸面積，從而有效抑制了氫析出反應(yīng)和腐蝕反應(yīng)。通過(guò)清晰闡述該電池體系中銅的非傳統(tǒng)電化學(xué)行為（見(jiàn)圖1），探索出一種優(yōu)化正極材料的篩選策略，從而提升電池的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。這為解決水系鋅離子電池所面臨的挑戰(zhàn)提供了全新的思路。
圖1. 鋅-錳酸銅電池中銅的非傳統(tǒng)電化學(xué)行為示意圖
相關(guān)研究成果以“Unconventional Copper Electrochemistry in Aqueous Zn‖CuMn2O4 Batteries”為題發(fā)表在Wiley旗下期刊Advanced Energy Materials。材料科學(xué)與工程學(xué)院楊功政副教授為論文的第一作者，王成新教授為論文的唯一通訊作者。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院是論文的唯一完成單位。該研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、中山大學(xué)分析測(cè)試中心的大力支持。
論文鏈接：http://doi.org/10.1002/aenm.202303695
