中科大陈维/李震宇Angew: 96%高利用率高面容量水系锌金属负极

能源学人

【研究背景】

水系锌离子电池具有低成本，高安全和高理论容量等特点，被认为是具有广阔应用前景的大规模储能技术之一。然而，由于水系电解液中活泼水分子带来的一系列副反应，以及锌负极在循环过程中的枝晶生长，使得水系锌金属负极实际表现差强人意。尤其是目前普遍使用的过量锌金属负极，往往会掩盖锌负极本身存在的问题，并限制水系锌离子电池的实际能量密度。因此，高利用率锌负极的开发至关重要。目前，通过电极界面设计，已经实现了高达90%利用率的锌负极，但面容量较低，往往低于10 mAh cm^-2。

近日，中国科学技术大学陈维教授团队和李震宇教授团队合作，通过在电解液中引入环丁砜调节锌离子溶剂化结构，在大于20 mAh cm^‑2的超高面容量下，实现了约为96%利用率的水系锌金属负极。该研究以“High-Capacity Zinc Anode with 96% Utilization Rate Enabled by Solvation Structure Design”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

【研究亮点】

1）环丁砜分子引入，重塑了锌离子的初级溶剂化壳层，显著减少了锌负极的电极电解液界面副反应。

2）光谱学表征，分子动力学和第一性原理计算验证了重塑的锌离子的溶剂化结构为[Zn(H₂O)₄Cl(SL)]。

3）在Zn-Zn对称电池和Cu-Zn不对称电池中，最高可实现约为96%的锌负极利用率，面容量在20 mAh cm^-2以上，最高达40 mAh cm^-2。

4）在Zn-V₂O₅电池和Zn-AC混合电容中，当锌负极利用率大约为67%时，优化后电解液电化学性能均有明显提升。

【图文导读】

图1：不同电解液的谱学表征，分子动力学模拟和第一性原理计算。

图2：不同电解液的对称电池和不对称电池电化学性能表现。

图3：不同电解液的沉积形貌表征。

图4：不同电解液中Zn-V₂O₅电池和Zn-AC混合电容电化学性能表现。

【结论】

总之，作者在本研究中设计了一种新颖稳定的溶剂化结构，可以在高面积容量下实现锌负极的高利用率。实验和理论计算表明，环丁砜的存在通过形成锌离子独特的溶剂化结构[Zn(H₂O)₄Cl(SL)]，抑制了电解液中游离水的含量，解决了由水分子引起的锌负极的一些关键问题，包括锌枝晶的形成、腐蚀、析氢和低利用率。具体来说，在优化后电解液中，对称电池可以实现约为96% 的锌负极利用率，面容量为24 mAh cm^-2。此外，在锌利用率为67%的情况下，所开发的Zn-V₂O₅全电池可稳定循环500次，Zn-AC电容器可稳定循环5000次.这项工作为开发高利用率水系锌金属负极基础研究和实际应用提供了新的见解和策略。

Mingming Wang^†, Jiale Ma^†,Yahan Meng^†, Jifei Sun,Yuan Yuan,Mingyan Chuai, Na Chen, Yan Xu, Xinhua Zheng,Zhenyu Li,* Wei Chen*. High-Capacity Zinc Anode with 96% Utilization Rate Enabled by Solvation Structure Design.Angewandte Chemie International Edition.

https://doi.org/10.1002/anie.202214966

通讯作者简介

陈维教授中国科学技术大学应用化学系特任教授，博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来，作为（共同）通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications, JACS, Angew, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Letters, ACS Catalysis, eScience, Energy Storage Materials等国际期刊发表学术论文30余篇，论文总被引9000余次，H因子45。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利20余项。担任eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances, Battery Energy, Carbon Energy, Chinese Chemical Letters, Transactions of Tianjin University杂志青年编委, Catalysts杂志编委。

【课题组招聘】

中国科学技术大学陈维教授课题组诚聘联合博士后

一、研究方向

本课题组科研经费充足，拥有一流的工作环境，积极开放的学术氛围和优越的国内外交流合作。陈维教授秉持着材料创新与发现的研究理念，通过材料合成、结构设计和系统创新等研究方法将课题组研究集中但不局限于：

1.氢气二次电池的开发与应用

2.新型水系离子储能电池

3.电催化剂的微观调控与机理探索

二、申请条件

1.身心健康、责任心强、有团队精神、工作积极主动、创新能力强

2.已获得（博士毕业三年之内）或即将获得化学，材料，物理，化工等相关博士学位

3.优先考虑有电池、电催化等相关研究背景和实验平台搭建经验的申请人

4.具有良好的英文听说读写能力

5.近5年发表过高水平学术论文（至少1篇）

6.年龄不超过35周岁

三、招聘人数

1人

四、岗位待遇

1.聘期2年。

2.工资待遇（总年薪50万元以上，包括基本年薪28万，东莞市博士后补贴20万，3万元住房补贴）：

此职位为中科大与东莞理工联合招聘，工作地点是中国科学技术大学陈维课题组（课题组网页http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1/），入中国科学技术大学博士后流动站。

3.五险一金：社会保险（基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险）和住房公积金。

4.其他相关待遇（享受东莞理工学院职工基本福利，另外学校提供10万员科研启动经费）。

五、申请程序

请申请者将个人简历等材料发送给陈维老师（weichen1@ustc.edu.cn），邮件以“博后申请+姓名”命名。

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