復(fù)旦大學(xué)王永剛教授研究團(tuán)隊(duì)在柔性水系鋅電池研究取得新進(jìn)展
近日，復(fù)旦大學(xué)王永剛教授研究團(tuán)隊(duì)在環(huán)境友好的柔性水系鋅電池研究方面取得了新突破，相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》 (Angew. Chem. Int. Ed.)雜志上(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 11737)。
水系鋅電池由于采用具有高能量密度、環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)勢(shì)的鋅金屬負(fù)極，是近年來(lái)備受關(guān)注的極具競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能體系之一。但是，由于目前可用的正極材料的性能不甚理想，水系鋅電池的研究重點(diǎn)主要集中在尋找合適的正極材料上。此外，柔性可穿戴電子器件的需求日益增長(zhǎng)，亟需開(kāi)發(fā)相應(yīng)的具有高安全性、可彎曲、電化學(xué)性能優(yōu)異的儲(chǔ)能體系。盡管鋰離子電池等儲(chǔ)能體系發(fā)展比較成熟，且具有良好的性能，但是，由于這些體系中包含有毒或存在環(huán)境隱患的成分，并且不具備良好的彎曲性能，不能滿足為柔性電子器件供能的需要。
為解決以上問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)采用具有高安全性、高比容量的有機(jī)物——芘四酮 (pyrene-4,5,9,10-tetraone, PTO)作為正極材料，與金屬鋅負(fù)極配對(duì)，以溫和的鋅鹽溶液作為電解液，組裝成柔性水系鋅電池。該電池的所有組分均具有低毒或無(wú)毒、環(huán)境友好的特點(diǎn)，滿足了柔性器件對(duì)于安全性的要求。該電池的充放電機(jī)理是基于鋅離子在PTO正極和金屬鋅負(fù)極上的可逆反應(yīng)。在放電過(guò)程中，金屬鋅負(fù)極上的鋅原子被氧化為鋅離子進(jìn)入電解液中，同時(shí)電解液中的鋅離子與PTO正極上羰基的氧原子配位。充電過(guò)程與之相反。該水系鋅電池表現(xiàn)出高達(dá)186.7 Wh/kg的能量密度(按正負(fù)極活性物質(zhì)計(jì)算)，以及超過(guò)1000圈的長(zhǎng)循環(huán)壽命。鋅離子與正極材料可逆配位的機(jī)理使之具有類(lèi)似超級(jí)電容器的極快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。另外，研究人員基于該體系，組裝了二維表帶狀柔性水系鋅電池。該柔性電池表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和可彎曲性能，在彎曲多次且彎曲不同角度時(shí)，電池容量幾乎不發(fā)生衰減。因此，該水系鋅電池具有出色的電化學(xué)性能，并且成分低毒、環(huán)境友好，不僅可以用于大型儲(chǔ)能，還可用于為柔性可穿戴電子器件供能，為未來(lái)電池的設(shè)計(jì)和發(fā)展提供了借鑒作用。同時(shí)，需要指出的是，目前該研究工作尚處于初級(jí)階段，有機(jī)電極材料的低電子導(dǎo)電性仍需提高，并且鋅負(fù)極上的枝晶形成問(wèn)題仍需改善。為實(shí)現(xiàn)該電池的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于電極材料的優(yōu)化將成為下一步的研究方向。
該論文第一作者為化學(xué)系直博生郭昭薇，通訊作者為王永剛教授。該項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
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