大连化物所研发出耐低温水系锌基电池用电解质溶液

近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员李先锋、张华民带领的研究团队,在低温水系锌基电池电解液研究方面取得进展,研发出全天候水系锌基电池用电解质溶液。  

水系锌基电池具有安全性高、成本低、能量密度高等优点,在便携式电子设备、电动汽车和大规模储能领域具有应用前景。目前,水系锌基电池面临的主要挑战为:锌负极一侧锌的不均匀沉积导致枝晶生长与脱落,影响锌基电池的循环稳定性;水系电解液离子传导率随着温度的降低而急剧下降,使得该体系电池在低温下无法运行,限制水系锌基电池应用范围。

研究团队提出一种耐低温、经济、安全、环保的水系锌基电池用混合电解液。该电解液由水(H2O)、乙二醇(EG)和硫酸锌(ZnSO4)组成,在低温下具有高的离子传导率(-40℃时为6.9mS/cm)。研究通过实验并结合理论计算,阐明Zn2+-EG分子间的相互作用,能显著提高EG-H2O分子间氢键相互作用,从而破坏电解液中H2O分子间连续的氢键,降低混合电解液的凝固点,在低温下实现Zn2+快速传输。同时,Zn2+-EG溶剂化作用可提高锌沉积/溶解可逆性,改善锌负极的沉积形貌。研究发现,采用该混合电解液构筑的锌离子混合超级电容器(ZHSC)和锌离子电池(ZIB),在-20℃均展现出高能量密度(ZHSC为36Wh/kg,ZIB为109Wh/kg)、高功率密度(ZHSC为3.1kW/kg,ZIB为1.6kW/kg)和长循环寿命(ZHSC为5500个循环,ZIB为250个循环)的特点。此外,调控混合电解液不同配比,可以使其能够耐受不同程度的低温,实现在不同环境下的使用。该研究对低温储能器件电解液的设计具有指导意义。

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相关研究成果在线发表在《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)上。研究工作受到国家自然科学基金、中科院电化学工程实验室等的支持。[大连化学物理研究所]

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