中国科学家在锌/石墨双离子电池领域取得突破

9月11日，记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉，该所仿生与固态能源系统研究组的崔光磊研究员和赵井文副研究员带领研究组通过重构阴离子溶剂化结构助力锌/石墨电池高电压电解质，相关研究结果近期发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. ）(DOI: 10.1002/ange.202010423)上，论文第一作者为中科院青岛能源所的博士后陈政。

据介绍，低成本、长寿命、高功率的二次电池是实现电网规模储能来利用间歇性可再生能源发电的有效途径之一。石墨正极具有成本低、环境友好的特性，而锌负极具有体积能量密度高、储量丰富、锌沉积/溶解过电位低等优点，因此结合锌负极与石墨正极各自优点的锌/石墨双离子电池在电网规模储能上具有良好的应用前景。

崔光磊和赵井文研究组前期基于锌沉积/溶解的快速动力学和二(三氟甲基磺酸)亚胺阴离子(TFSI-)嵌入/脱出石墨的赝电容行为，构建了基于锌负极和石墨正极的锌/石墨双离子电池，该电池能够实现200C倍率充放电，功率密度高达16.3 kW/kg (J. Power Sources 2020, 457, 227994)。然而，由于阴离子嵌入/脱出石墨的电位较高，导致电解质发生部分氧化分解，限制了该电池的库伦效率和循环寿命。

近日，该研究组利用二价锌离子易与阴离子形成缔合离子对这一特点，在Zn(TFSI)2/EMC（碳酸甲乙酯）电解质中通过引入具有强供电子能力的磷酸三甲酯（TMP）溶剂将TFSI-阴离子以缔合离子对的形式“束缚”在TMP的溶剂化区域中，实现了EMC溶剂分子与阴离子的“解耦”分离，降低了氧化稳定性较差的EMC-TFSI-的浓度。电化学测试结果表明，这种阴离子溶剂化结构调控策略可将Zn(TFSI)2/EMC电解质的电化学窗口提高0.45 V，并使锌/石墨双离子电池能在2.80 V的高截止电压下充放电循环1000次（容量保持率达到92%）。此外，加入TMP后的Zn(TFSI)2/EMC电解质仍然保持较高的离子电导率，并具备阻燃性能，这也保证了锌/石墨双离子电池具有良好的倍率性能和安全性能。此研究为开发高电压碳酸酯类电解质提供了建设性思路。