来源:能源学人
文:Energist

现代社会的迅速发展导致能源需求迅速增加,因此寻找低成本且高效的储能设备成为发展趋势。锌空电池(ZAB)由于因高能量密度、环境友好性和良好的可逆性等优势有望成为一种有潜力的储能体系。其中电解质是ZAB中不可或缺的一部分,其连接正负极并决定离子传输。然而,传统的水系电解质面临的泄露、挥发和水损失等问题不利于电池性能。因此如何实现长循环寿命的ZAB是一个很大的挑战。

【工作介绍】

 

近日,华中科技大学夏宝玉课题组报道了一种双网络结构水凝胶电解质,主要成分有聚丙烯酰胺(PAM)、海藻酸钠(SA)和碘化钾(KI),基于PAM/SA/KI的锌空气/碘化物混合电池可以实现长达110 h的循环寿命、高达80%的能量效率以及优异的可再生性。本工作为开发新型固态电解质以实现高性能储能设备提供了一定的指导意义。相关文章发表在国际权威期刊Angewandte Chemie International Edition上。硕士研究生刘晴晴为本文第一作者。

【内容表述】

 

在常用的聚合物基底(聚乙烯醇PVA、聚丙烯酸PAA和聚丙烯酰胺PAM)中,PAM具有最差的离子电导率。因此研究团队利用原位聚合的方法,向PAM基底中引入SA和KI,制备了一种双网络结构的凝胶电解质(图1a)。该电解质捕获的KOH和H2O分子通过与PAM、SA和H2O分子间形成氢键以及多孔结构从而促进离子传输(图1b,c)。红外光谱证明了该水凝胶的成功制备(图1d)。

 
双网络结构水凝胶电解质用于固态可充锌空气/碘化物混合电池
图1. PAM/SA/KI水凝胶:(a)合成过程,(b)离子传导图,(c)扫描电镜图,(d)红外光谱图。

PAM/SA/KI水凝胶具有明显改善的电解液吸收能力、保水性和离子电导率,这主要归因于丰富的多孔结构和KI的水合作用(图2a-c)。此外,SA与PAM之间的物理缠绕,特别是SA与Zn2+交联形成的离子交联网络,提高了PAM的机械强度(图2d)。

 

双网络结构水凝胶电解质用于固态可充锌空气/碘化物混合电池

图2. PAM/SA/KI水凝胶:(a)碱性电解液吸收能力,(b)保水能力,(c)离子电导率,(d)拉伸应力应变曲线。

然后,研究人员将制备的水凝胶电解质组装在固态锌空电池中,发现开放条件下PAM/SA/KI基电池具有改善的放电、循环时间以及优异的电化学稳定性(图3a-c)。值得注意的是,该电池在密闭条件下具有更好的循环稳定性(110 h)和可再生性(图3d-f)。
 

双网络结构水凝胶电解质用于固态可充锌空气/碘化物混合电池

图3. (a)恒流放电曲线,(b)PAM/SA/KI基电池在不同弯曲状态下的恒流充放电曲线,(c)恒流充放电曲线(a-c均为开放环境)。(d)恒流放电曲线,(e)恒流充放电曲线,(f)可再生性,(d-f均为密闭环境)。

一方面,碘化钾的引入使得电池发生热力学更有利的IO3-/ I-氧化还原反应,而不再是传统的O2/ OH-反应,因此降低了充电电压和提高了能量效率(图4a,b)。另一方面,碘化钾改变了锌离子的水合结构,从而避免了阳极副反应(图4c,d)。

 
双网络结构水凝胶电解质用于固态可充锌空气/碘化物混合电池

图4. (a)不同电解质中的LSV曲线,(b)紫外可见光谱,(c)PAM/SA/KI基电池循环一定时间的锌负极表面SEM图像,(d)不同电解液的Raman光谱(黑色:Zn2+, 绿色:O, 粉色:H, 蓝色:I-)。双网络结构水凝胶电解质用于固态可充锌空气/碘化物混合电池

 


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作者 lv, mengdie