近期，华南师范大学物理与电信工程学院侯贤华教授团队与松山湖材料实验室李洪飞副研究员合作，在钠锌杂化电池领域取得了重要研究进展，相关成果“Ligand-Substitution Chemistry Enabling Wide-Voltage Aqueous Hybrid Electrolyte for Ultrafast-Charging Batteries”（Adv. Energy Mater. 2022, 2202478. DOI: 10.1002/aenm.202202478）在国际能源顶级期刊《Advanced Energy Materials》（先进能源材料，IF=29.698）上发表。我校是该论文的第一完成单位，论文第一作者为物理与电信工程学院2019级硕士研究生赵喜亮，共同一作为2020级硕士研究生颜嘉位，通讯作者为侯贤华教授和李洪飞副研究员。该研究得到了国家自然科学基金项目，广东省粤桂联合基金项目，广东省自然科学基金项目，广东省科技计划和广州市科技计划项目的支持。
近年来，各种基于插层化学的新型水系电池，如单价电池（钠离子电池、钾离子电池），多价电池（锌离子电池、镁离子电池、铝离子电池）受到了广泛的研究。该类电池源自各类具有丰富的金属自然资源，具有水系电解液的高安全性、低成本、高功率密度等优点，有希望替代传统的有机类锂离子电池成为下一代大规模储能装置。通过杂化离子电池的设计，它不仅保留了单价离子扩散快、结构稳定、工作电压高的特点，同时在阳极的选择方面，不再局限于少数的锂/钠金属，为水系电解液的实际使用提供了应用环境。但目前，钠锌杂化电池所面临的最重要的问题是其能量密度较低，这是水系电解液固有缺陷——狭窄的电化学稳定窗口（1.23 V）所导致的。当电化学反应超出这个窗口时，水会发生析氢、析氧的副反应，导致电解液的酸碱度发生骤变，不仅会加速负极表面枝晶的生长，也会使正极材料中的过渡金属发生溶解，进一步加速电池本身的腐蚀，从而影响电池电流输出的稳定性。
为了解决上述的难题，研究团队采用配体取代策略，通过优选溶剂，在对阳离子溶剂化壳层进行重构的同时，有效地改善了载流子的迁移环境，成功设计了具有2.9V宽电化学窗口以及19.6 mS cm−1高离子电导率的杂化电解液。并且，通过将锌阳极与两种不同类型的钠超离子导体(NASICON)型阴极配对，获得了具有良好的倍率性能和大电流下较长循环寿命（3A g−1电流密度下1000次循环充放电）的钠锌杂化电池。除此之外，通过理论计算以及XPS表征分析，少量水分子的参与溶剂化结构有助于在正极表面形成含有NaF/ZnF2阴极电解质界面相，从而有效的抑制阴极界面处所发生的过渡金属溶出等副反应。该研究工作为设计具备宽电化学窗口且高载流子迁移率的水系电解液提供了新的思路和解决方案。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202202478
作者/通讯员:侯贤华 | 来源:物理与电信工程学院 | 编辑:杨柳青
