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分手快乐解耦水凝胶电解质用于高电压可持续电池

2022-04-29 来源:周口机械信息网

分手快乐!解耦水凝胶电解质用于高电压可持续电池

水系锌锰电池具有高安全性和环保性。使用弱酸性电解质可以提升水系锌锰电池的可充性能,但其工作电压大多在1.5 V以下,极大地限制了电池的能量存储能力。目前,已有研究报道通过合理地耦合电解质中Mn4+ / Mn2 +和Zn2 + / Zn氧化还原对可以将水系二次锌锰电池的放电电压提升至2 V左右中国机械网okmao.com。然而,在如此高的电压下,水的分解反应会与电池化学进行竞争,从而导致电池的能量效率低,容量迅速衰减。而将混合电解质进行解耦,使用两种单独的电解质溶液进行各自对应的氧化还原反应,可以将电池的工作电压提高到2 V以上。尽管如此,解耦电解质仍需要昂贵的离子选择性膜来防止两种电解质在充放电循环过程中的交叉混合。目前,解耦电解质通常应用在氧化还原液流电池技术中,通过由离子选择性膜分离开的正极电解质(posolyte)和负极电解质(negolyte)两个独立的电解液池来进行。因其严格的电池制造过程,严氧化还原液流电池也鲜少应用于小型电子设备中。因此,需要更加灵活的制造过程来消除这些障碍,为蓬勃发展的物联网设备生产具有高能量密度的对环境无害且可集成的电池。

为了应对上述挑战,莱布尼茨固体与材料研究所Oliver G. Schmidt院士和朱旻棽研究员团队提出了一种无正极(cathode-less)构型的“battery-everywhere”设计,基于含有1M MnSO4、1M H2SO4和2M ZnSO4的聚丙烯酰胺(PAAm)混合凝胶电解质,通过解耦凝胶电解质为含有MnSO4和1M H2SO4的正极凝胶电解质以及含有2M ZnSO4的负极凝胶电解质,无需离子选择性膜,成功制备出可在高达约2 V放电电压平台下稳定运行的高能量密度水系二次锌锰电池。该工作以“Battery-Everywhere Design Based on a Cathodeless Configuration with High Sustainability and Energy Density”为题,发表在国际顶级期刊《ACS Energy Letters》上。

文章要点:

1、cathode-less的设计省去了电池制造过程中使用电极浆料的步骤,只需要使用集流体用作导电介质,即可在电池充电过程中在集流体上原位电沉积生成锰基氧化物(MnOx),以用作正极。另外,与标准电池的容量由电极材料的质量负载决定的不同,cathode-less构型的解耦电解质的电池的容量可以由充电时间控制:充电10分钟后,电池可以提供约122 μAh cm-2的面积容量;将充电时间延长至2小时,容量大幅提高至400 μAhcm-2。

图1 使用解耦凝胶电解质和混合凝胶电解质的无正极电池的电化学性能对比。

2、解耦电解质有效调控了离子与水分子之间地相互作用,从而抑制了氧气的析出,提高了电池容量和能量效率,并延长了电池的使用寿命。与混合电解质相比,使用解耦电解质的电池面积容量还增加了一倍,表现出更优的电化学性能。

图2 MnOx在解耦的正极电解质和混合电解质中的电沉积行为对比。

图3 解耦电解质对氧气释放的抑制作用的相关表征

3、该电池对充电电流不敏感,并且可以在200 mV的电压波动内(2.2至2.4 V)稳定地循环。因此,无需任何电源管理电路,即可在恒定电源下为无阴极电池充电。充电功率越高,电池的能量密度越高,表现出优异的长循环稳定性。

图4 基于解耦电解质的无正极电池的电化学性能表征

4、作者还提出了“battery-everywhere”的概念,只需将导电石墨墨水涂在玻璃、纸张、金属、织物和木材等日常物品上,与解耦电解质整合即可将它们转变为电池,可以随时随地为电子设备供电。此外,水凝胶电解质可以通过用特定的电解质溶液重新浸泡而回收利用,且再生电池具有与原始电池相近的性能,符合可持续性、环境友好的电池设计。

图5 基于解耦电解质的无正极电池的实际应用和“battery-everywhere”概念的提出

图6 基于解耦电解质的无正极电池的凝胶电解质的回收和重复利用

全文链接:

Battery-Everywhere Design Based on a Cathodeless Configuration with High Sustainability and Energy Density. ACS Energy Lett. 2021, 6, XXX, 1859–1868. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00555

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