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具有高電壓放電平臺的柔性水系鋅基混合離子電池
發布:Iron_MAN10   時間:2019/12/10 13:12:53   閱讀:215 
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從傳統的堿性鋅電池到如今的中性/弱酸性鋅離子電池,基于鋅金屬負極的水系電池變得越來越安全可靠,也促使它成為可穿戴柔性電子器件中極具應用前景的儲能器件。然而對于水系鋅電池,工作電壓成為制約其實際應用的一大瓶頸。一方面,水系鋅電池的工作電壓完全受限于水系電解液的電化學穩定窗口,難以取得突破。另一方面,許多文獻報道的鋅電池在工作時僅能輸出很低的放電電壓平臺,或是沒有電壓平臺,而是呈電容器式的放電斜坡。這些電池盡管具有較高的放電容量(比如基于釩系正極材料的鋅離子電池),其實際能量密度并不突出,不利于穩定持續的高能量供給,制約了柔性可穿戴應用的發展。

鋰電池領域豐富的研究經驗為鋅電池的研究提供了許多有價值的參考。由于較厚的水合層以及較大的電荷直徑比,鋅離子的嵌入/脫出動力學比較緩慢,許多優秀的儲鋰正極材料并不能很好地供鋅離子嵌入/脫出。于此,構建鋅/鋰離子混合電池不失為一個有效的解決方案,這不僅能利用大量性能優異的鋰電正極材料,同時有望實現水系電池平緩、高電壓的放電平臺,為柔性可穿戴器件提供穩定持續的電壓輸出。
 

最近,香港城市大學支春義教授課題組設計了一個以高電位LiVPO4F儲鋰材料為正極、鋅金屬為負極的水系混合離子電池。為實現鋰離子在LiVPO4F正極可逆的嵌入/脫出,該課題組采用了高濃度的水系雙離子電解液(HCE),它具有更寬的電化學穩定窗口,其析氧電位比普通電解液高出0.5 V以上。采用此方案制得的鋅基混合離子電池,具有2.1 V的高開路電壓,接近1.9 V的放電平臺,以及1.8 V的中值電壓,是目前所有報導的鋅基電池體系中最高值之一。其能量密度達到了235.6 Wh kg-1,高于大部分文獻報道的水系電池體系。該課題組進一步制備了基于HCE的固態水凝膠電解質,該電解質具有優異的柔韌性和保水性。基于此固態水凝膠電解質的柔性水系鋅基混合離子電池能夠在各種彎曲形變下保持穩定的性能,并通過串聯組裝成自供能的柔性冷光板系統。將兩塊此柔性水系鋅基混合離子電池串聯成可穿戴電子表的表帶,可以實現0.8 A g-1下3.7 V穩定持續的電壓輸出,能良好兼容采用傳統鋰離子電池的電子器件。
 

相關成果近期發表在Advanced Energy Materials 上,論文的第一作者是香港城市大學博士生劉卓鑫。

原文(掃描或長按二維碼,識別后直達原文頁面,或點此查看原文https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201902473):

A Flexible Solid-State Aqueous Zinc Hybrid Battery with Flat and High‐Voltage Discharge Plateau
Zhuoxin Liu, Qi Yang, Donghong Wang, Guojin Liang, Youhuan Zhu, Funian Mo, Zhaodong Huang, Xinliang Li, Longtao Ma, Tiancheng Tang, Zhouguang Lu, Chunyi Zhi
Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201902473

導師介紹

支春義
https://www.x-mol.com/university/faculty/35062


來源:X-MOL
 
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