华中科技大学夏宝玉教授团队 Angew: 双网络水凝胶电解质用于固态可充锌空/碘杂化电池

2022-09-18 来源：高分子科技

现代社会日益增长的能源需求促进了具有长循环寿命和高能量效率的锂离子电池的迅速发展，但其低能量密度、高成本和安全性等挑战阻碍了其广泛应用。相比之下，锌空电池由于具有高能量密度、低成本和环境友好性等优势有望成为下一代关键储能体系。锌空电池由锌负极、空气正极和电解质三部分构成。目前大部分研究致力于发展正负极材料来改善锌空电池的性能。其中电解质作为关键组分，通过电极之间的离子传输及界面化学影响电池性能。鉴于常用的水系电解质泄露和挥发等问题，而且储存电解液的刚性结构和庞大体积使得锌空电池很难用于便携式器件。因此聚合物基电解质逐渐吸引了各方关注。然而，锌空电池的半开放体系也不可避免导致严重的水损失问题，从而导致电解质以及电池失效。因此实现长循环寿命和高稳定性的可充固态电池具有较大挑战。

鉴于此，华中科技大学化学与化工学院夏宝玉教授团队报道了一种具有优异的保水性能、离子电导率和机械柔性的新型水凝胶电解质，其组装成的锌空/碘杂化电池在密闭环境下可以实现长达110 h的循环寿命，以及优异的可再生性和高达80%的能量效率。相关研究以“Dual-Network Structured Hydrogel Electrolytes Engaged Solid-State Rechargeable Zn-Air/Iodide Hybrid Batteries” 为题，在期刊Angewandte Chemie International Edition上发表。

图1. PAM/SA/KI水凝胶：（a）合成过程，（b）离子传输示意图，（c）扫描电镜，（d）红外光谱。

近年来，聚丙烯酰胺(PAM)凝胶电解质已被广泛用于锌空电池，但其仍存在离子电导率低和机械强度差的问题。因此，研究团队采用PAM作为聚合物基体，引入海藻酸钠(SA)和碘化钾(KI)，合成了一种双网络结构凝胶电解质（图1）。其中，SA与Zn²⁺形成的离子交联网络和SA与PAM 之间的物理缠绕共同提高了凝胶机械强度。其次，双网络结构有利于改善PAM的保水性和离子电导率（图2）。

图2. PAM/SA/KI水凝胶：（a）电解液吸收能力，（b）保水能力，（c）电导率，（d）应力应变曲线。

然后，研究团队将该水凝胶电解质应用于固态锌空电池中，开放环境下该电池具有改善的放电时间(14 h)、循环寿命(28 h)和高能量效率(80%)。该电池在密闭环境下具有更优异的放电时间(40 h)、循环稳定性(110 h)和可再生性（图3）。

图3. 开放电池：（a）恒流放电曲线，（b）PAM/SA/KI基电池在不同弯曲角度下的恒流充放电曲线，（c）恒流充放电曲线。密闭电池：（d）恒流放电曲线，（e）恒流充放电曲线，（f）可再生性。

在双网络凝胶电解质中，引入KI使得充放电过程中正极发生O₂/OH^-和IO₃^-/I^-两种反应并存。其中IO₃^-/I^-反应具有更好的反应热力学，降低了充电电压并改善了循环充放电效率。此外，也可以避免使用开放环境带来的电解质蒸发等系列负面效果。更重要的是，碘离子破坏了锌离子的溶剂化结构，从而避免了金属负极发生的析氢和枝晶等不利反应，也保证了电解质/负极的界面稳定性（图4）。因此，基于该电解质组装的杂化电池在密闭环境下具有优异的循环性能和高能量效率。

图4. （a）Pt/C+RuO₂催化剂在O₂- 或 Ar-饱和的电解质中的LSV曲线，（b）不同充放电时间的 KOH/Zn(Ac)₂ /KI 溶液的紫外可见光谱，（c）PAM/SA/KI基电池循环后的锌负极表面SEM图像，（d）不同电解液的Raman光谱（黑色：Zn²⁺, 绿色：O, 粉色：H, 蓝色：I^-）。

总之，该工作提出了一个新的锌空/碘杂化电池的概念，为未来发展高性能的储能和转换技术提供了参考与指导。

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202210567

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（责任编辑：xu）

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