双功能阳离子聚电解质添加剂可实现无枝晶和抑制穿梭的Zn-Br2电池

研究简介

Zn-Br2电池因其低成本和高能量密度而成为大规模储能的理想选择。然而，其实际应用仍然受到锌枝晶生长和多溴化物穿梭扩散效应的阻碍，这会影响电池的长期循环性能和能量效率。在此，我们引入了一种低浓度、双功能聚电解质添加剂聚季铵盐-6(P-6)，它可以同时解决这两个难题。电化学分析、原位拉曼光谱和理论计算表明，P-6选择性吸附在Zn(002)/(100)晶面上，促进Zn沿动力学有利的(101)取向均匀沉积，同时通过静电屏蔽抑制枝晶形成。同时，P-6与Br3-和Br5-形成稳定的复合物，有效抑制了它们的穿梭扩散。因此，Zn-Br2电池仅包含0.65wt.%的P-6。P-6(∼44mM)可提供约1300μAhcm-2的高容量，并在1500次循环中表现出优异的稳定性，库仑效率>98%。这种双功能电解质策略有效解决了Zn-Br2电池中的界面问题，并可作为更广泛的卤素基水系添加剂设计的指导原则。

图文导读

图示1. Zn-Br2电池低浓度双功能调控策略示意图。

图1.（a）Nyquist图，（b）腐蚀电位，（c）腐蚀电流，（d）CA，（e）Zn箔的CP曲线，以及（f）Ti箔在xwt.%P-6/2MZnSO4电解质中的CV曲线（x=0、0.2、0.4、0.6、0.8和1）；（g）2MNa2SO4和1wt.%P-6/2MNa2SO4中Zn的HER曲线；（h）Zn||Zn对称电池的循环性能，其中2MZnSO4和0.8wt.%P-6/2MZnSO4在1mAcm-2和1mAhcm-2容量下。

图2.1wt.%P-6/2MZnSO4电解液中，10mAcm-2电流密度作用不同时间后，Zn箔表面的(a)SEM图和(b)XRD；(c)P-6在锌的002、100和101晶面上的结合能；(d)1wt.%P-6/2MZnSO4中Zn负极表面的原位拉曼；(e)P-6电荷屏蔽效应机理图。

图3.(a-c)碳毡电极在xwt.%P-6/1MKBr(x=0、0.2和0.8)电解液中的GCD曲线；(d)碳毡电极在xwt.%P-6/1MKBr电解液中的库仑效率和(e)能量效率；(f)不同截止电位下的CV曲线和(g)0.8wt.%P-6/1MKBr电解液中碳毡电极不同充电时间的GCD；(h)碳毡电极在xwt.%P-6/1MKBr(x=0和0.8)电解液中不同充电时间下的库仑效率和(i)能量效率。

图4.碳毡电极在(a)1MKBr和(b)0.8wt.%P-6/1MKBr电解液中的实际拉曼光谱；(c)P-6和相应单体阴离子的结构和表面静电势分布；(d)P-6与溴物质(Br-、Br3-、Br5-和Br2)之间的结合能；(e)储存超过六个月的P-6和Br3-化学合成复合物。

图5.0.5MZnSO4/0.5MKBr和0.8wt.%P-6/0.5MZnSO4/0.5MKBr电解液的Zn-Br2电池的(a-b)不同电流密度下的GCD曲线和(c)5mVs-1下的CV曲线；(d)0.8wt.%P-6/0.5MZnSO4/0.5MKBr电解液的Zn-Br2电池在不同充电时间下的GCD曲线；(e)0.5MZnSO4/0.5MKBr和0.8wt.%P-6/0.5MZnSO4/0.5MKBr电解液的Zn-Br2电池在不同充电时间下的库仑效率和(f)能量效率；(g)0.8wt.%P-6%P-6/0.5MZnSO4/0.5MKBr电解质；(h)Zn-Br2软包电池点亮带有62个LED的屏幕>40分钟

研究结论

本研究表明低浓度(0.65wt.%/44mM)阳离子聚合物P-6可作为双功能电解液添加剂，同时抑制锌负极的枝晶形成和多溴化物在正极的穿梭扩散。电化学分析表明，P-6可有效延长锌负极的循环寿命，使其循环寿命延长至1400h以上，同时提高溴在正极的转化效率。原位表征和理论计算的机理分析表明，P-6选择性吸附在Zn(002)/(100)晶面上，使其沉积于动力学上有利的Zn(101)晶面上。在外加电位下，P-6在表面凸起处富集，减轻了尖端效应，屏蔽了Zn2+离子，促进了锌的平稳沉积。对于正极，P-6与多溴化物络合形成不溶性沉淀，有效地抑制了它们的穿梭扩散。结果表明，Zn-Br2电池可稳定循环1500次以上，放电面积比容量约为1300μAhcm-2，库仑效率约为98%。该研究为Zn-Br2体系的双功能调控提供了一种实用策略，并为解决水系电池电极难题提供了设计原则。