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新型水系电解液显著提升水系锌基电池的耐低温性能

2020-09-08 来源:转载自第三方

近日,《能源与环境科学》报道了低温水系锌基电池研究领域的新进展,中科院大连化物所的研究人员研发出一种耐低温、经济、安全、环保的水系锌基电池用混合电解液。

随着对于资源有效利用、绿色安全、环境保护的不断重视,水系锌基电池受到科研人员的积极关注及重新审视。水系锌基电池具有高安全性、高能量密度以及对环境友好的特点,但是基于水系电解液的锌基电池也存在很多不可避免的弊端,比如水系电解液的狭窄电化学稳定窗口限制对电极材料的选择,导致了低的电池电压;水系电解液离子传导率随着温度降低而急剧下降,使得该体系电池在低温下无法运行,这些因素极大地限制了水系锌基电池的应用。

 

鉴于此,中国科学院大连化学物理研究所研究员李先锋、张华民带领团队使用水(H2O)、乙二醇(EG)和硫酸锌(ZnSO4)设计了一种新的电解液,该电解液在低温下具有较高的离子电导率(-40°C时为6.9mS/cm)。通过实验和理论计算,研究人员阐明了锌离子-乙二醇分子间独特的相互作用,能显著提高乙二醇—水分子间氢键相互作用,从而有效地破坏电解液中水分子间连续的氢键,大大降低混合电解液的凝固点,在低温下实现锌离子的快速传输。同时,锌离子—乙二醇溶剂化作用可提高锌沉积/溶解的可逆性,改善锌负极的沉积形貌。

此外,研究还发现,采用该混合电解液构筑的锌离子混合超级电容器(ZHSC)和锌离子电池(ZIB)在-20℃均展现出高能量密度(ZHSC为36 Whkg -1ZIB为121 Whkg -1),高功率密度(ZHSC为3.1 kWkg-1ZIB为1.7 kWkg -1)和较长的使用寿命(ZHSC的110天为5500循环,ZIB为250循环)的特点。而且,通过调控混合电解液不同配比,可以使其能够耐受不同程度的低温,实现在不同环境下的使用。

该电解液的研发,显著的提高了水系锌基离子电池能量密度和耐低温性能,为水系锌基离子电池的大规模应用提供了良好的前景。


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