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乙二醇甲醚电解液添加剂对水系锌离子电池电化学性能的影响

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admin 发表于 2024-12-14 02:38 | 查看全部 阅读模式

文档名:乙二醇甲醚电解液添加剂对水系锌离子电池电化学性能的影响
摘要:水系锌离子电池(AZIBs)由于其高理论容量、高储量、高安全性等优点,在大规模储能系统中极具应用前景.然而,锌负极界面上锌枝晶和副反应等问题严重制约了AZIBs的发展.本工作通过使用乙二醇甲醚(MECS)作为电解质添加剂来增强锌离子电镀/剥离的高度可逆性.实验以及理论计算结果表明:MECS可以减少配位H2O分子的数量,打破水的氢键网络并重构Zn2+的溶剂化结构,从而抑制副产物和锌枝晶的生成.因此,含有MECS的混合电解液可以使Zn//Zn对称电池在10mA/cm2以及15mA?h/cm2的测试条件下稳定循环450h,并且放电深度(DODZn)达到了54%.即使在高电流密度的测试条件下(10mA/cm2,1mA?h/cm2),Zn//Ti半电池的平均Coulomb效率(CE)也达到了99.39%.此外,与纯ZnSO4电解液相比,利用MECS电解液添加剂所组装的Zn//V6O13?H2O全电池表现出优异的倍率性能和循环性能.这项工作为稳定锌金属负极提供了一种可行的方法.

Abstract:IntroductionAqueouszinc-ionbatteries(AZIBs)asoneofthehighlyanticipatedareasinthenewgenerationofbatterytechnologieshavebroadapplicationprospectsandpotential.Comparedtoconventionallithium-ionbatteries,AZIBshavehighersafety,cost-effectiveness,environmentalfriendliness,andhigherenergydensity,makingthemhighlysoughtafterinenergystorageandrenewableenergy.Nevertheless,ahighconcentrationofwatermoleculesintheAZIBscanresultinthedecompositionofwaterintoH+andOH-duringthecharging/dischargingprocess,whichtriggerssignificanthydrogenevolutionreactionsandcorrosionproblems,ultimatelycompromisingthestabilityofthemetalzincelectrode.Meanwhile,zincdendritesareeasilyformedduetotheunevenzincdeposition.Toaddresstheseissues,thispaperinnovativelyproposedanelectrolyteadditiveofethyleneglycolmethylether(MECS)toenhancethestabilityofthezincelectrode.TheimpactofMECSelectrolyteadditivesontheAZIBsperformancewassystematicallyinvestigatedviatheexperimentsandtheoreticalcalculations.MethodsAnelectrolytewaspreparedviaaddingdifferentconcentrationsofMECSinto2mol/LZnSO4solution.TheconcentrationsofMECSadditivesusedwere2%,4%,and9%(involumefraction,referredtoas'2%MECS','4%MECS',and'9%MECS').V6O13·H2Owasprepared.Firstly,2.73gofV2O5and4.52gofH2C2O4wereaddedto40mLofdeionizedwater(referredtoas"solutionA")andstirredat90℃for1h.Subsequently,10mLofH2O2and30mLofethanolwereaddedtosolutionA,whichwasthentransferredtoahigh-pressurevessellinedwithPTFE.Thevesselwasheatedat180℃for3h.Finally,theproductwasfiltered,washedwithethanolanddeionizedwaterforatleast3times,andthenthewashedmaterialwasdriedinvacuumat60℃for24h.Thepreparationstepsforthecathodeplatewereasfollows:V6O13·H2O,conductiveagent(acetyleneblack),andPVDFweremixedataweightratioof7:2:1,withNMPusedasasolvent,andstirredevenly.TheobtainedslurrywascoatedonTifoil,anddriedinvacuumat80℃for24h.Thesampleswerecharacterizedbynuclearmagneticresonance(NMR),Fouiertransforminfraredspectroscopy(FTIR)andRamanspectroscopy(RS).Also,thebindingenergywascalculatedbasedonthedensityfunctionaltheory(DFT).ResultsanddiscussionBasedontheresultsbyBMR,FTIRandRS,theshiftof1HpeaksandthestretchingvibrationsofO—HbothindicateachangeinthesolvationstructureofZn2+inthesolutionwiththeMECSadditives.TheanalysisoftheDFTcalculationresultsrevealsthatthebindingenergybetweenMECSandZn2+issignificantlyhigherthanthatbetweenZn2+andH2O,indicatingthepreferenceofMECStocoordinatewithZn2+andreplacethepositionsofwatermoleculesinthesolvationstructureofZn2+.TherestructuredsolvationstructureofZn2+reducesthenumberofactivewatermoleculesintheelectrolyte,therebyloweringtheactivityofparasiticreactionsandenhancingthestabilityofthemetalzincanode.TheeffectofMECSadditivesontheelectrochemicalperformanceofbatterieswasthoroughlyinvestigatedviaassemblingZn//Znsymmetricalcells,Zn//Ticells,andfullcells.Underrelativelymildtestingconditions(i.e.,0.5mA/cm2and0.5mA?h/cm2),Zn//ZnsymmetricalcellswithMECSadditivescancyclestablyfor1250h,whilethosewithoutMECSadditivesonlycycleforabout250hbeforeshort-circuitingoccurs.ThebatterieswithMECSadditivesdemonstrateanexcellentperformanceevenunderdifferenttestingconditionsduetotheregulationeffectofMECSatthezincanode/electrolyteinterface.ConclusionsAnovelelectrolyteadditive(MECS)wasdevelopedtostabilizezincmetalanode.Basedonexperimentalandtheoreticalcalculations,MECSmoleculescouldparticipateinalteringthesolvationstructureofZn2+,reducethequantityofactivewatermoleculesatthezincanodeinterfacethroughstrongcoordinationwithZn2+,resultinginasmoothzincdepositionandadecreasedby-productformation.Consequently,Zn//Znsymmetricalcellsassembledwiththeimprovedelectrolytedemonstratedstablecyclingforover1250h.Inaddition,theassembledZn//V6O13?H2Ofullcellalsoshowedanexcellentperformance,maintainingahighcapacityevenafter800cyclesatacurrentdensityof1A/g.Thisstudycouldpresentasimple,effective,andeconomicelectrolytemodificationapproachtoachieveeffectiveutilizationofzincinaqueouszinc-ionbatteries,providinginnovativepathwaysforthedevelopmentofnext-generationsecondarybatteries.

作者:孙永鑫   曹金   张露露   杨学林 Author:SUNYongxin   CAOJin   ZHANGLulu   YANGXuelin
作者单位:三峡大学电气与新能源学院,湖北省微电网创新协同中心,湖北宜昌443002三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌443002三峡大学材料与化工学院,湖北宜昌443002
刊名:硅酸盐学报 ISTICEIPKU
Journal:JournaloftheChineseCeramicSociety
年,卷(期):2024, 52(7)
分类号:TQ175
关键词:水系锌离子电池  电解液添加剂  副反应  锌枝晶  
Keywords:aqueouszinc-ionbatteries  electrolyteadditive  inhibitionofsidereactions  dendrite-free  
机标分类号:TM912.9O646TM715
在线出版日期:2024年7月24日
基金项目:国家自然科学基金乙二醇甲醚电解液添加剂对水系锌离子电池电化学性能的影响[
期刊论文]  硅酸盐学报--2024, 52(7)孙永鑫  曹金  张露露  杨学林水系锌离子电池(AZIBs)由于其高理论容量、高储量、高安全性等优点,在大规模储能系统中极具应用前景.然而,锌负极界面上锌枝晶和副反应等问题严重制约了AZIBs的发展.本工作通过使用乙二醇甲醚(MECS)作为电解质添加剂来增...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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