可充电水系锌离子电池无机非金属涂层研究进展

介绍了可充电水系锌离子电池(ZIBs)作为一种新兴电池储能技术,其高安全性、高能量密度和低成本等优势,以及当前制约锌离子电池发展的问题.并且从高性能锌阳极的设计出发,分析了无机非金属涂层抑制锌枝晶生长的作用机理.根据不同的涂层材料,综述了无机非金属材料涂覆锌阳极的研究进展.

可充电锌离子电池共晶电解液的研究进展

可充电锌离子电池(RZIBs)因高安全性、低成本以及环境友好等优势广受关注。但传统水系电解液中水的高活性导致锌负极在循环过程中面临着枝晶和副反应问题,限制了RZIBs的发展。共晶电解液通过氢键和配位效应调节Zn^(2+)离子溶剂化结构中水分子数量,有效解决了上述问题。此外,其具有合成简单、无腐蚀性和环境友好等优势,在RZIBs领域备受关注。介绍了共晶电解液的基本原理和定义,然后重点阐述了共晶电解液在RZIBs中的应用现状,最后对共晶电解液的发展前景进行了展望,为制备出优异的共晶电解液提供了重要思路。

氮杂环咪唑离子液体用于水系锌离子电池负极无枝晶保护

根据可持续发展的需要以及更好地去实现碳达峰、碳中和,水系锌离子电池由于其安全可靠、成本低及离子电导率高等特点逐渐进入人们的视线。相比于传统的锂离子电池,可充电的水系锌离子电池具有很高的安全稳定性,同时,锌金属资源丰富、理论容量(820 mA·h/g)高、氧化还原电位(-0.762 V(vs.SHE))低,这也缓解了金属锂的资源压力。但是,电解质中的活性水会严重腐蚀锌负极,发生析氢反应(HER),并产生羟基硫酸锌(ZHS)等副产物以及引起枝晶生长,从而使电池循环性能大大降低,达不到储能要求。结果表明,通过离子液体添加剂优化水系锌离子电解液,实现了循环过程中无枝晶的锌负极,其中氯化1-氰丁基-3-甲基咪唑(MCBI)添加剂在最佳添加浓度条件下,Zn//Cu半电池200圈库伦效率可达99.37%,Zn//Zn对称电池在小电流密度下可稳定循环1600 h以上,即使在10 mA/cm^(2)、5 mA·h/cm^(2)下也能稳定循环1000 h以上;全电池循环500次后依旧有88.5%的高容量保持率。这项工作解决了水系锌离子电池枝晶问题,并在优化电解质体系方面提供了一个全新的视角。

水系锌离子电池宽温域性能的电解质改性策略研究进展

在资源短缺、能源需求倍增的当今世界,水系锌离子电池(AZIBs)作为一种大规模储能技术以其具有高安全性、低成本、高容量和快速充放电等优势脱颖而出。随着对能源多元化应用场景的增加,AZIBs被开发并应用于多种极端环境。然而,电池中的自由水分子会引发一系列的不良反应,导致电池出现容量下降和寿命缩短的问题。在低温条件下,溶剂水的冻结会引起AZIBs的离子电导率降低、电荷转移阻抗增加,导致电池速率性能下降。在高温条件下,溶剂水的快速蒸发会产生气泡和气体膨胀,水诱导的副反应加剧,同时电极材料也会出现腐蚀和溶解,从而影响电池寿命。针对这些挑战,在这篇综述中,分别总结了针对水系锌离子电池在高温与低温下的研究进展,提出了适用于低温、高温以及同时适用于高低温的电解质策略,重点研究了高浓度电解质、凝胶电解质、电解质添加剂和共晶电解质降低电解质凝固点、提高低温电化学性能的机理,并对进一步提高水系锌离子电池的宽温域性能和工业应用进行了展望。

水系锌离子电池负极添加剂研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)因具有较高的理论容量、较低的氧化还原电位、良好的安全性和低成本等优点,在便携式电子设备、储能器件和新能源汽车等领域有广泛的应用市场和前景。在AZIBs体系中,通过电解液中添加剂的优化可达到改善锌负极稳定性,减少负极枝晶生长和抑制析氢副反应发生等。因此,有必要系统地总结添加剂研究进展:对电解液添加剂对Zn^(2+)的沉积行为影响机制进行了总结;基于锌负极所存在的问题,详细综述了近年来关于不同种类的单一添加剂在稳定锌负极方面的改性机制;对复合添加剂的研究情况进行了综述;针对添加剂发展方向和前景提出一些思考和研究策略。

淀粉电解质添加剂在水系锌离子电池中的应用

为了提升ZnSO_(4)电解液的电化学稳定性,将淀粉作为一种添加剂对其进行改性。实验结果表明,相比于ZnSO_(4)电解液,改性后的淀粉-ZnSO_(4)电解液具有更高的析氢过电位、更宽的电化学稳定窗口。将淀粉-ZnSO4电解液应用到水系锌离子电池中,有效抑制了锌枝晶和副产物的生成,并降低了电池自放电程度,表现出更优异的循环稳定性和倍率性能,在1 A·g^(-1)电流密度下循环800圈之后放电比容量保持率为81.36%,远大于ZnSO_(4)电解液体系(57.89%)。将这种电解液应用到柔性电池中同样展示出了优异的性能,具有良好的长循环寿命,在0.5 A·g^(-1)电流密度下循环800圈之后的放电比容量保持率高达92.4%。此外,该柔性电池还具有良好的抗弯形变能力,在弯曲30°、60°和90°之后仍然能够保持82.34%的放电比容量。

VO_(2)·xH_(2)O纳米棒用于水系锌离子电池正极材料

具有优异电化性能、环境友好和低成本的水性锌离子电池(AZIBs)已经成为有前途的储能器件。然而,缓慢的传输动力学和不稳定的主体结构是高性能AZIBs先进正极材料开发的主要障碍。在此,利用四甲酰基苯硼酸与五氧化二钒之间的反应作用,通过简单的一步水热反应制备出含有氧缺陷的水合二化钒(VO_(2)·xH_(2)O)纳米棒。采用XRD、Raman、FTIR、SEM、XPS表征了VO_(2)·xH_(2)O的形貌和结构。VO_(2)·xH_(2)O纳米棒用作AZIBs的正极材料展现了优异的储锌性能,主要归因于材料的高效传输动力学和丰富的反应位点。在0.5/5.0 A·g^(-1)电流密度下可提供314/199 mAh·g^(-1)的高放电比容量。本论文提供了一种简单合成高性能AZIBs正极材料的方法,也为其他新型正极材料的设计提供了科学指导。

椰壳碳@MnO_(2)纳米材料在水系锌离子电池中的应用

为解决MnO_(2)材料在水系锌离子电池(ZIBs)中存在的导电性差、材料利用率低等问题,以农业废弃物椰壳为原料,将低成本、来源丰富、绿色可再生的生物质资源引入到电极材料中,通过高温碳化得到导电性优异的椰壳碳,用水热法在椰壳碳表面生长MnO_(2)纳米粒子,获得椰壳碳@MnO_(2)复合纳米材料。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电化学技术等表征测试手段,分析该复合材料的形貌结构以及电化学性能。结果表明椰壳碳@MnO_(2)在100 mA g^(-1)的电流密度下,经过300次循环,比容量仍高达到344.6 mA h g^(-1),性能远高于商用MnO_(2)材料(64.3 mA h g^(-1));椰壳碳@MnO_(2)优异的导电性,纳米化的结构设计提高了材料利用率,减少了离子扩散路径,带来更快的离子扩散速率,提高了材料的倍率性能,具有良好的应用前景。

α-MnO_(2)作为先进的双功能ORR/IOR电催化剂构建可充电锌空电池

析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)和氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)是可充电锌空电池(rechargeable Zn-air batteries,RZABs)重要的两个反应。其中,析氧反应具有较高的热力学平衡电位和复杂的反应路径,实际应用中需要高的充电电压驱动其发生,这将带来一系列问题并且限制了RZABs的商业化应用。基于此,本研究构造α-MnO_(2)并作为ORR/IOR双功能催化剂。在碱性体系中引入反应改性剂KI,α-MnO_(2)对碘离子氧化反应(iodide oxidation reaction,IOR)具有更低的阳极氧化电位和更快的催化动力学。当1.0 mol/L KOH电解液中添加0.5 mol/L KI时,相比于OER(1.709 V@10 mA/cm^(2)),α-MnO_(2)在IOR过程中电流密度达到10 mA/cm^(2)时阳极电位减小了398 mV(1.311 V vs.RHE),且表现出低至57.5 mV/dec塔菲尔斜率。相对于与Pt/C,在含有KI的KOH电解液中,α-MnO_(2)表现出与Pt/C相媲美的ORR活性。此外,以α-MnO_(2)为空气电极组装成RZAB后,该电池也表现出了优异的充电活性和良好的循环寿命,在5 mA/cm^(2)电流密度下,充放电电压间隙由0.97 V缩减为0.61 V,能量转换效率由54.9%提升至66.2%。

不同金属掺杂的五氧化二钒在水系锌离子电池中的应用

随着新能源的不断发展,对新型储能设备需求不断增加。可充电水系锌离子电池(ZIBs)因价格低廉、储量丰富和绿色环保等优点备受关注。五氧化二钒具有独特的层状结构,利于锌离子的嵌入/脱出。通过水热法制备V_(2)O_(5)、Ag_(0.3)V_(2)O_(5)(AVO)、Mg_(0.25)V_(2)O_(5)(MVO)并应用于水系锌离子电池中,XRD、SEM、TEM等测试分析了材料形貌和结构,金属Ag和Mg元素的掺杂有效改善了五氧化二钒纳米线形貌结构,并取得优异的电化学性能。深入探究电池内部反应机理,发现了Zn_(2)(V_(3)O_(8))2中间相形成对材料性能产生的影响。不同价态的离子掺杂对钒基氧化物形貌和电化学性能产生了不同的影响,体现的金属离子“支柱效应”显著改善了电池的容量和寿命。

二氧化锰作水系锌离子电池正极材料改性进展

二氧化锰以其相对较低的成本和成熟的合成工艺,而成为研究最为深入的锌离子电池(ZIB)正极材料之一。近年来对二氧化锰在ZIB中进行改性的研究报道很多,其主要途径包括表面优化、纳米结构调控、缺陷工程、元素掺杂以及与导电材料的复合。这些改性方法提高了二氧化锰的电化学性能,改善了应用于ZIB正极的循环稳定性、倍率性能,有效延长了电池使用寿命。这些改性为ZIB技术的商业化和实际应用奠定了基础,为可再生能源存储领域的发展提供了有力支持。

水系锌离子电池正极材料研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)以其高安全性和低成本优势被认为是后锂离子电池时代最具竞争力的储能设备之一。正极材料作为存储载流子(Zn^(2+))的主体,决定了水系锌离子电池的充放电容量,对AZIBs的循环性能和能量密度等性能起着至关重要的作用。本文总结了AZIBs的主要正极材料体系、存在的问题和可行的改性策略,为开发优异性能的AZIBs正极材料提供参考。

二氧化钛涂层改性锌负极及其在水系锌离子电池中的应用

采用溶胶-凝胶法制备了锐钛矿型纳米二氧化钛粉体,将其涂覆在锌箔上制备了二氧化钛涂层改性锌负极。通过各种表征和测试手段,探究了涂层对锌负极的改善效果,评估了改性后的锌负极在水系锌离子电池中的电化学性能。结果表明,二氧化钛涂层可以诱导锌在负极均匀沉积,由改性锌负极组成的Zn/Zn对称电池可以在1 mA/cm^(2)的电流密度下稳定循环500 h以上。此外,用改性锌负极组装的Zn/MnO_(2)全电池在0.5 A/g的电流密度下循环100次后容量保持率为82.53%,显著优于用未改性锌负极组装的Zn/MnO_(2)全电池。

MXene在锌离子电池中的应用:研究进展与展望

可充电锌离子电池(ZIBs)以其低成本、固有安全性、高比能量和环保特性而在大规模储能领域中引起了极大的关注。尽管对ZIBs的正极、负极以及电解质的研究不断取得突破,ZIBs的实际性能仍难以达到实用化的要求,关键在于缺少先进材料的开发。MXene作为一种新型的二维材料,具有各种优异的特性包括丰富的原料、可定制的结构和独特的理化特性。二维(2D)MXene在ZIBs中的应用已经取得了重大进展。本文简要总结了用于ZIBs的MXene的多种合成路线、MXene的环境稳定性、形态和结构特征以及化学性质的进展;详细阐述了MXene基阴极、阳极和电解质/隔膜的最新发展,丰富的成果表明MXene材料具有实现高性能ZIBs的巨大潜力;归纳探讨了增强基于MXene的ZIBs性能的策略,包括离子插层调控、表面接枝修饰、杂原子掺杂、层间距拓宽等;最后,提出了基于MXene的ZIBs面临的挑战,展望了未来前景,旨在为开发实用化MXene基储能器件指明方向。

甘氨酸电解液添加剂对水系锌离子电池电化学性能的影响

水系锌离子电池因其高安全性、高容量、低价格等优点,有望成为下一代规模储能设备。然而,副反应、锌枝晶和有限的使用寿命阻碍了其实际应用。我们将电解质添加剂甘氨酸(Gly)引入到常规水系ZnSO4电解质中。Gly中的极性基团(-COOH和-NH_(2))可以调节Zn^(2+)的溶剂化结构,从而重新分配Zn2+的沉积以避免枝晶和副反应发生。结果表明,在ZnSO_(4)电解质中添加50 mmol·L^(-1)的Gly后(ZnSO4-Gly),Zn||Zn对称电池在1 mA·cm^(-2)和1 mAh·cm^(-2)下,表现出良好的循环寿命(3 000 h),明显高于使用ZnSO_(4)电解质的性能(300 h)。以ZnSO_(4)-Gly为电解液的Zn||MnO2全电池,在比电容和倍率性能方面比无添加剂器件表现得更好。

水系锌-石墨电池的研究新进展

水系锌-石墨电池是一种新型的二次电池,基于水系电解液中的阴、阳离子同时参与电化学反应实现储能,因其具有高能量密度、高功率密度和安全廉价等诸多优势,有望成为替代锂离子电池的下一代储能产品。本文综述了近年来水系锌-石墨电池的发展现状,总结了锌负极、石墨正极存在的问题及现有的解决方案,对水系锌-石墨电池的下一步发展进行了预测。

电纺纤维基材料在水系锌离子电池中的应用

水系锌离子电池因其成本低、理论能量密度高和本征安全等,在储能电站、柔性可穿戴电池等领域极具发展潜质.静电纺丝技术可以实现锌离子电池相关材料在纳微米尺度上的掺杂、复合和结构设计,实现其在宏观性能上提高,抑制/减缓锌离子电池中枝晶生长、结构坍塌和析氢/氧等问题.因此,静电纺丝纤维基材料具有组分可调控性广、柔性自支撑能力强和规模化生产能力好等特点,使其在水系锌离子电池中得到广泛的研究和应用.根据静电纺丝技术特点和水系锌离子电池的储能特性,总结分析了静电纺丝纤维基材料在电极活性材料和电极隔膜中的研究进展,并对静电纺丝技术在水系锌离子电池中存在的问题和发展方向进行评述.

水系锌离子电池二氧化锰正极改性研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)MnO_(2)正极材料由于具有较高的工作电压和低制造成本等特点而备受关注,MnO_(2)正极固有的导电性差和充放电过程中结构坍塌等问题,导致其比容量较低和循环稳定性较差,严重制约了AZIBs的发展。本文通过调研相关文献,综述了提高MnO_(2)正极材料电导率和循环稳定性的策略,重点介绍了MnO_(2)结构调控、纳米工程、掺杂改性和与高导材料复合等改性策略。通过分析不同晶体结构的MnO_(2)正极材料的电化学性能,建立了MnO_(2)晶体结构与电池比容量之间的构效关系。详细分析了不同的合成手段对MnO_(2)纳米形貌及电池比容量的影响,为不同形貌的MnO_(2)制备提供了指导。同时分析了元素体相掺杂以及高导电碳基材料的添加对MnO_(2)电导率和循环稳定性的影响规律。最后对高性能AZIBs用MnO_(2)正极材料的发展进行了展望,不同的改善策略可以混合使用,并起到协同作用。

废旧锂离子电池回收制备MnO_(2)及其储锌性能

随着锂离子电池产业的快速发展,退役锂离子电池的回收利用问题已成为工业和学术界关注的热点。前人对废旧锂离子电池中有价值资源的回收做了大量研究,但将回收的锂离子电池材料直接转化为新型储能体系电极材料的研究鲜有报道。为实现退役电池的资源化再利用,可通过简单的H_(2)SO_(4)浸渍法,将废旧锂离子电池中锰酸锂(LiMn_(2)O_(4))材料转化为MnO_(2),并用做水系锌离子电池正极材料。通过XRD、XPS、BET、SEM、CV、TEM、EIS以及电化学性能测试等表征方法,探究酸浸渍条件如温度、时间等对所制备MnO_(2)形貌、结构和电化学性能的影响规律。结果表明:LiMn2O4材料经酸浸渍会发生歧化反应,使Li^(+)和部分Mn^(2+)从晶格中溶出,而浸渍温度对离子的溶出速度有显著影响。室温下,LiMn_(2)O_(4)晶格中离子的溶出速度较慢,可获得与其晶体结构相近的λ-MnO_(2)材料;而水热条件下,高反应温度会加剧晶格中原子的振动,加快离子溶出速度,形成晶体结构更紧密且热力学更稳定的γ-MnO_(2)和β-MnO_(2)。电化学性能测试结果显示,具有纳米棒状形貌和较大比表面积的γ-MnO_(2)材料,表现出较高的放电比容量和最优的循环稳定性,在0.3和3.0 A/g电流密度下,其放电比容量分别为273.3和127.2 mAh/g。在3.0 A/g电流密度下,γ-MnO_(2)材料经200、500和1 000圈循环后,其容量保持率高达77.1%、65.7%和43.9%。此外,通过ex-XRD表征研究发现,该Zn//MnO2电池的电化学储能机理遵循H^(+)/Zn^(2+)共插入/脱出机制。

锌离子电池锰基正极材料研究进展

可充电水系锌离子电池是一种环保且电化学性能优异的二次电池,但锰基正极材料在充放电过程中结构易坍塌、导电率低、稳定性差等缺点严重制约了水系锌离子电池的发展。笔者首先阐述了锰基正极材料中锌离子的储存机理,主要有Zn^(2+)嵌入/脱出机理、H+/Zn^(2+)共嵌入/脱出机理和化学转化反应机理。Zn^(2+)嵌入/脱出机理包括无相变反应和新相生成反应。而新相生成反应又分为可逆相变和不可逆相变。然后,基于锰基正极材料面临的问题,讨论了改善其储锌性能的主要方法。目前可采用的方法包括缺陷工程、与导电材料复合、离子掺杂、表面修饰技术等。用以上方法改进后的锰基正极材料表现出了更加优异的性能。