鈉/鋅離子電池作為兩種新型電池,具有良好的應用前景,然而,它們的應用仍面臨幾個關鍵挑戰(zhàn)。2023年以來,化學與環(huán)境工程學院張培新教授團隊在已有工作的基礎上,圍繞鈉/鋅離子電池正負極材料、電解質以及隔膜等關鍵材料開展了深入系統(tǒng)的研究,取得了一系列創(chuàng)新性研究成果。這些成果分別發(fā)表在《Advanced Materials》(中科院大類一區(qū),影響因子IF=29.4)、《Angewandte Chemie International Edition》(中科院大類一區(qū),IF=16.6, 2篇)、《Advanced Energy Materials》(中科院大類一區(qū),IF=27.8)、《ACS Energy Letters》(中科院大類一區(qū),IF=22.0, 封面文章)、《Advanced Functional Materials》(中科院大類一區(qū),IF=19.0,2篇)、《Nano-Micro Letters》(中科院大類一區(qū),IF=26.6,國產期刊)、《Energy Storage Materials》(中科院大類一區(qū),IF=20.4,國產期刊)、《Journal of Energy Chemistry》(中科院大類一區(qū),IF=13.1,國產期刊)。
1.為解決過渡金屬化合物作為鈉離子電池負極材料容量低和循環(huán)性能差等問題,提出了一種獨特的原位功能化和自限生長方法,以V2CTxMXene為模板,設計了具有內嵌陰離子空位的VSe2-x/C面內異質結,在加硒過程中,V2CTx的碳原子層轉化為超薄的導電碳,最大限度地與生成的VSe2組分面對面接觸。同時,碳還原環(huán)境的自發(fā)形成削弱了V-Se鍵,產生了豐富的Se陰離子空位結構,雙功能陰離子空位與面內異質結構之間存在多尺度的界面協(xié)同作用,緩解了體積應變,提高了Na+插層和后續(xù)轉化反應的動力學和熱力學。該成果發(fā)表在《Advanced Materials》(2023:2310336),深圳大學為第一完成單位和唯一通訊單位,馬定濤副研究員和研究生趙哲浩為論文共同第一作者,張培新教授和米宏偉副教授為共同通訊作者。論文鏈接:https://doi:10.1002/adma.202310336

2.為解決用于鋅離子存儲的過渡金屬硫族化合物(TMDs) 存儲動力學緩慢和性能差等問題,提出了一種多尺度界面結構集成調制概念,以解鎖全方位存儲動力學增強的多孔VSe2-x·nH2O宿主,同時還發(fā)現(xiàn)了一種界面吸附-插層贗電容存儲機制。這項工作實現(xiàn)了概念上的突破,擴展了層狀TMDs的界面存儲極限,以構建全天候高性能鋅離子電池。該成果發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》(2023,62:e202304400)。深圳大學為第一完成單位和唯一通訊單位,博士研究生楊明為論文第一作者,張培新教授和馬定濤副研究員為共同通訊作者。論文鏈接:https://doi.org/10.1002 / anie.202304400

3.為解決鋅金屬負極在水中熱力學不穩(wěn)定以及不可控的鋅枝晶生長等問題,采用?;撬嶙鳛殡娊庖禾砑觿?,設計了一種同時調控電解液pH和原位構建負極-電解液界面的協(xié)同策略,抑制了枝晶生長和界面副反應,使鋅負極在高電流密度和面積容量下展現(xiàn)出超高的穩(wěn)定性。該成果發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》(2023,62:e202311988),深圳大學為共同通訊單位,哈爾濱工業(yè)大學(深圳)博士生歐陽珂豐(張培新教授指導的碩士研究生)和陳勝為論文共同第一作者,哈爾濱工業(yè)大學(深圳)黃燕教授和張培新教授為共同通訊作者。論文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202311988
4.為解決Zn2+傳輸動力學緩慢和電解質界面熱力學不穩(wěn)定等問題,提出了痕量添加劑介導的疏水結構編輯概念,通過向水系電解液中添加聚丙烯酸(PAA)來重建電解液Zn2+溶劑化結構并實現(xiàn)電極-電解液界面原位自組裝。重構的Zn2+水合結構具有快速的電化學反應動力學,而電極表面界面層極大提高了水系鋅金屬電池體系的熱力學穩(wěn)定性,從而實現(xiàn)了寬溫域的長期運行。該成果作為封面文章發(fā)表在《ACS Energy Letters 》(2023,8:5229)。深圳大學為第一完成單位和唯一通訊單位,研究生歐陽珂豐和李帆為論文第一作者,張培新教授和馬定濤副研究員為共同通訊作者。論文鏈接:http://10.1021/acsenergylett.3c01872

5.為“一體化”解決鋅/電解質界面的副反應及枝晶生長問題,提出了雙界面協(xié)同調制的設計概念,通過一步水熱法,以連續(xù)優(yōu)化表面織構并原位形成疏水、親鋅鈍化層。這種設計的鋅金屬負極可極大提高全電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,為高性能鋅金屬負極設計開拓了新思路。該成果發(fā)表在《Advanced Energy Materials》(2023,13:2204365),深圳大學為第一完成單位和唯一通訊單位,研究生李帆為論文第一作者,張培新教授和馬定濤副研究員為共同通訊作者。論文鏈接:https://doi.org/10.1002/aenm.202204365
6.為開發(fā)全天候快充固態(tài)電池,設計了一種新型多功能介質橋接超薄聚合物電解質,并成功應用于寬溫域高性能固態(tài)鋅金屬電池。這種新型超薄、多重動力學增強型聚合物電解質,不僅增強了電解質膜的機械強度和界面導熱性,還極大提高了Zn2+遷移數(shù),具有良好的高溫界面相容性。因此,高可逆鋅金屬負極的穩(wěn)定工作溫度能夠被拓寬至-25~80℃。該成果發(fā)表在《Advanced Functional Materials》(2023,33:2307736),深圳大學為第一完成單位和唯一通訊單位,研究生李宜姝為論文第一作者,張培新教授和馬定濤副研究員為共同通訊作者。論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202307736
7.為解決鋅離子電池超小型納米結構陰極合成過程復雜且難以規(guī)?;a等問題,提出了一種可用于解鎖超快動力學電極的原位電化學非晶化機制。利用溶膠凝膠法制備的長程有序ZnV2O4晶體可以通過原位電化學激活重構為短程有序Zn0.44V2O4電極,重構后的非晶化電極展現(xiàn)出豐富的活性位點、低鋅離子捕獲勢壘和超短離子擴散路徑等優(yōu)異性質,從而賦予電極超高的倍率性能。該成果發(fā)表在《Advanced Functional Materials》(2023,33:2304255),深圳大學為唯一完成單位,研究生沈思誠為論文第一作者,張培新教授和馬定濤副研究員為共同通訊作者。論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202304255
8. 為解決鋅離子電池枝晶生長、副反應和循環(huán)穩(wěn)定性能差等問題,提出了一種基于三維人工陣列界面工程的設計概念,以實現(xiàn)體積應力消除、優(yōu)選取向生長和無枝晶穩(wěn)定鋅金屬負極。這種工程電極不僅具有良好的耐腐蝕性和抑制析氫性,而且在速率能力和循環(huán)穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)出整體增強效應。該成果發(fā)表在《Nano-Micro Letters》(2023,15:37),深圳大學為唯一完成單位,研究生阮劍斌為論文第一作者,張培新教授和馬定濤副研究員為共同通訊作者。論文鏈接:https://doi.org/10.1007/s40820-022-01007-z
9. 針對低價釩基化合物難以平衡高比容量、高速率性能和高存儲可逆性等問題,提出了一種獨特的電壓和溶劑化環(huán)境協(xié)同調控策略,以解鎖MXene衍生的VNxOy/C異質結構作為適用于水性鋅離子電池的正極材料。首先通過控制電壓實現(xiàn)VNxOy向Zn3(OH)2V2O7·2H2O的原位相變,然后通過調控溶劑化環(huán)境實現(xiàn)質子屏蔽,以消除非電化學活性副產物對電極儲存動力學和可逆性的阻斷效應。在電壓和溶劑化環(huán)境的協(xié)調作用下,低價VNxOy/C電極表現(xiàn)出高倍率能力和超長循環(huán)壽命的優(yōu)異電化學性能。該成果發(fā)表在《Energy Storage Materials》(2023,56: 600),深圳大學為唯一完成單位,碩士研究生陳洋武和馬定濤副研究員為論文共同第一作者,張培新教授為唯一通訊作者。論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.01.049.
10.為解決緩慢的Zn2+存儲動力學,提出了一種新的原位自蝕刻策略,以解鎖棕櫚樹狀狀氧化釩/碳納米纖維膜(P-VO/C)作為一種獨特電極,用于構建高功率耐用的水性鋅離子電池。與VO/C對應物相比,這種獨特的電極表現(xiàn)出擴展的贗電容存儲行為,此外,組裝的P-VO/C基水性鋅離子電池,也顯示出超高速率性能和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。這種結構設計實現(xiàn)了開發(fā)超快存儲動力學電極和大功率水性鋅離子電池的概念突破。該成果發(fā)表在《Journal of Energy Chemistry》(2023,88: 399),深圳大學為第一完成單位和第一通訊單位,聯(lián)培博士生侯爽和馬定濤副研究員為論文共同第一作者,張培新教授、米宏偉副教授以及華南師范大學趙靈智教授為共同通訊作者。論文鏈接:https://doi.org/10.1016/ j.jechem.2023.09.029
上述工作得到了國家自然科學基金(面上及青年基金)、廣東省自然科學基金、深圳市自然科學基金重點項目的資助。