电催化硒载体用于高压非水系Zn-Se电池

研究简介

水系电解质中较窄的电化学稳定窗口(ESW)、气态副产物和界面问题长期以来阻碍了锌离子电池的发展。在此，我们报道了三氟甲基磺酸锌/1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酸盐(Zn(TfO)2/[EMIm]TfO)离子液体电解质在非水锌硒(Zn-Se)电池中的首次应用，其ESW超过3V。为了进一步增强反应动力学，将锚定在具有Co-N4位点的N掺杂有序介孔碳(Co-N/C)上的Co单原子设计为Se宿主(Se@Co-N/C)。值得注意的是，Se@Co-N/C复合材料表现出改进的电化学性能，可提供1.5V的高放电电压和410.6mAhg-1的容量。全面的机理研究表明，Co-N/C主体中的Co-N4结构作为双功能催化位点，降低了Zn(TfO)42−解离和Se(TfO)4形成的能垒，从而加速了转化动力学。这一发现为在非水离子液体电解质中设计稳定的Zn-Se电池提供了新的思路。

图文导读

图1.不同摩尔浓度的Zn(TfO)2/[EMIm]TfOIL电解质的表征：(a)光学照片。(b)LSV曲线。(c)EIS光谱和计算的电导率。(d)FTIR光谱。(e)拉曼光谱。(f)不同配位数下Zn2+和TfO−阴离子的结合能数据。

图2.0.4 MZn(TfO)2/[EMIm]TfOIL电解质中的Zn-Zn对称电池：(a)0.1 mV s−1时的CV曲线。(b)0.2 mA cm−2时的恒电流充电/放电曲线，面积容量为0.2 mAh cm−2。(c)库仑效率图。(d–f)原始Zn箔、镀Zn箔和剥离Zn箔的SEM图。(g)在重复镀锌和剥离过程中Zn电极的原位光学显微镜图。

图3.(a)Se@Co-N/C复合材料合成过程示意图。(b)Se基复合材料的拉曼光谱。(c)Se@Co-N/C复合材料的N1sXPS。(d)Se@Co-N/C复合材料的TG曲线。(e-g)Se@C、Se@N/C和Se@Co-N/C复合材料的SEM图。(h)Se@Co-N/C复合材料的TEM。(i)Se@Co-N/C复合材料的相应元素映射图。

图4.(a)Zn-Se电池的充电/放电曲线。(b)Se@Co-N/C复合材料的原始Se3dXPS。(c)不同充电状态下Se@Co-N/C复合材料的Se3dXPS。(d)不同放电状态下Se@Co-N/C复合材料的Se3dXPS。(e)充电和放电状态下Se@Co-N/C复合材料中各种物质的TOF-SIMS深度剖面的3D重建。

图5.(a)不同硒基复合材料在100mAg-1下的初始充电/放电曲线。(b)Zn(TfO)42-在C和Co-N/C基底上解离的能量分布和相应的结构配置。(c)Se在C和Co-N/C基底上氧化的能量分布和相应的结构配置。(d)Se@Co-N/C复合材料上的催化反应机理示意图。

图6.（a）Zn(TfO)2/[EMIm]TfOIL电解质中n-Se电池的反应机理示意图。（b）Se基复合材料在0.1mVs−1时的CV曲线。（c）Se基复合材料在100mAg−1时的长期循环稳定性。（d）Se@Co-N/C的初始五条CV曲线。（e）Se@Co-N/C的充电/放电曲线。（f）不同状态下Se@Co-N/C的Nyquist图。（g）Se@Co-N/C相应的DRT曲线。（h）Se@Co-N/C与先前报道的用于Zn-Se电池的Se基材料的比较。

研究结论

本研究开发了一种高性能Zn-Se电池系统，该系统采用Zn(TfO)2/[EMIm]TfOIL电解质，具有3.02V的特殊ESW，可实现900小时的稳定Zn电镀/剥离。为了解决Se电化学固有的转化动力学限制，设计了具有Co-N4催化位点的Co-N/C主体作为Se主体，以大大加速反应动力学。因此，Se@Co-N/C复合材料表现出1.5V的高放电电压，具有410.6mAhg-1的大放电容量。通过全面的实验表征和理论计算，验证了完整的反应过程，涉及Se和Se(TfO)4之间的转换。至关重要的是，具有Co-N4催化位点的Co-N/C主体充当双功能催化剂，同时降低Zn(TfO)42−解离和Se转化反应的能垒。本研究通过稳定的IL电解质和催化主体材料的协同组合，为设计先进的锌基电池系统建立了新的范式，为下一代储能技术的发展提供了宝贵的见解。