我所研發出耐低溫水系鋅基電池用電解質溶液

  近日,我所儲能技術研究部(DNL17)李先鋒研究員、張華民研究員領導的研究團隊在低溫水系鋅基電池電解液研究方面取得新進展,研發出全天候水系鋅基電池用電解質溶液。

  水系鋅基電池具有安全性高、成本低、能量密度高等優點,在便攜式電子設備、電動汽車和大規模儲能領域具有廣闊的應用前景。目前,水系鋅基電池面臨的主要挑戰為:鋅負極一側鋅的不均勻沉積導致枝晶生長與脫落,從而影響鋅基電池的循環穩定性;此外,水系電解液離子傳導率隨著溫度的降低而急劇下降,使得該體系電池在低溫下無法運行,大大限制了水系鋅基電池應用范圍。

  該研究團隊提出了一種耐低溫、經濟、安全、環保的水系鋅基電池用混合電解液。該電解液由水(H2O),乙二醇(EG)和硫酸鋅(ZnSO4)組成,在低溫下具有高的離子傳導率(-40°C時為6.9mS/cm)。研究團隊通過實驗并結合理論計算,闡明了Zn2+-EG分子間獨特的相互作用,能顯著提高EG-H2O分子間氫鍵相互作用,從而有效地破壞電解液中H2O分子間連續的氫鍵,大大降低混合電解液的凝固點,在低溫下實現Zn2+快速傳輸。同時,Zn2+-EG溶劑化作用可提高鋅沉積/溶解可逆性,改善鋅負極的沉積形貌。研究還發現,采用該混合電解液構筑的鋅離子混合超級電容器(ZHSC)和鋅離子電池(ZIB)在-20℃均展現出高能量密度(ZHSC為36Wh/kg,ZIB為109Wh/kg)、高功率密度(ZHSC為3.1kW/kg,ZIB為1.6kW/kg)和長循環壽命(ZHSC為5500個循環,ZIB為250個循環)的特點。此外,調控混合電解液不同配比,可以使其能夠耐受不同程度的低溫,實現在不同環境下的使用。此項研究工作對低溫儲能器件電解液的設計具有指導意義。

  該研究成果在線發表于《能源與環境科學》(Energy & Environmental Science)上。以上工作得到了國家自然科學基金、中科院電化學工程實驗室等項目的支持。(文/圖 常娜娜)

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