南洋理工大学范红金课题组：全阵列高倍率固态锌离子电池

fudaoyuan

前言：

2018年7月2日，Adv. Mater. 在线发表了南洋理工大学范红金教授团队在锌离子电池领域的最新研究成果。针对固态锌离子电池倍率性能差，锌金属负极利用效率低、枝晶，及全电池能量、功率密度低等问题，该工作报道了一种全新的二维层状钒基材料、新型固态电解液、轻质三维多孔锌金属泡沫，并展示出了2000多次长循环、50 C的固态锌离子电池倍率，得到具有整体高能量/功率密度的柔性器件。

论文共同第一作者为科研学术伉俪：晁栋梁博士、朱昌荣博士。

研究背景：

近几年，储能江湖风起云涌，各种新型电池相继出现，群雄争霸。究竟谁能笑傲天下，一统江湖，暂时还难以定夺。这里要提的是一位翩翩少年，壮士豪杰。他就是成本低、安全性高、又环保的中性水系锌离子电池（ZIB）！这位玉面小飞龙一出场，就博得众生(研究生博士生)好感，纷纷投怀送抱。他那些与生俱来的优点都是当前有机体系电池望尘莫及的。但是，他也有致命缺点：

·   正极方面：由于Zn2+嵌入/脱出过程的两电子反应，电化学极化较高，离子迁移能垒也大，从而使得宿主材料微观结构或相结构易破坏，抑制了ZIB的倍率及循环。宿主材料需要结构稳定且能接受Zn2+自由穿梭。

·   锌金属负极及电解液方面：锌金属负极在水系电解液中反复溶解/沉积过程，容易产生大量枝晶及氧化物或氢氧化物。这些不仅容易使锌金属导电性逐渐降低、失活，更会影响锌金属负极溶解/沉积动力学（倍率）及ZIB的长期循环。新的金属极及电解液设计思路亟需提出。另外，锌离子电池中锌金属片的使用不仅极大降低负极的效率（放电深度），同时降低了器件整体的能量/功率密度，阻碍了锌离子电池的进一步产业化利用。

研究思路剖析：

想要攻克循环、倍率难题，需要解决正极、负极、电解液的问题，三管齐下，全面改造。

Ø 新型固态电解液、轻质三维多孔锌金属泡沫：固态锂离子电池抑制锂金属枝晶的研究为解决锌金属枝晶问题提供了思路。如上图所示，作者采用白炭黑凝胶作为新型准固态电解液代替水系电解液、三维多孔锌金属泡沫代替锌片负极。这两点可以完美解决锌金属负极溶解/沉积动力学、枝晶、及失活问题，提高了负极的倍率及循环稳定性。但是，固态电解液同时会带来器件整体倍率低的问题，下面所介绍的“在固态电池中引入赝电容”的思想可以解决固态电池这一棘手问题。

Ø 全新的二维层状钒基材料：作者首次合成得到了一种结构稳定、具有特殊二维层状结构的原钒酸锌材料，并首次将其应用于电池中的阳离子存储。这种单晶阵列结构，可以提供快速、稳定的Zn2+通道，并且脱嵌过程无相变发生。这些为固态电池快速嵌入型赝电容的引入提供了条件。

要点：除了上述锌金属负极改性，正极扩散动力学分析，作者在此具有优异的倍率性能的固态电池做了赝电容分析。结果发现得益于ZOV独特的“嵌入型”机理、暴露的(100)扩散面、大比表面、多孔特性，赝电容可以存在于固态电池中，这也为提高其它固态电池体系的倍率性能提供了一个新的思路。

全文小结：

Ø 针对循环稳定性：新型白炭黑凝胶半固态电解液、三维泡沫锌金属减弱锌金属枝晶、失活问题。众里寻他千百度，此时无机胜有机。

Ø 针对固态电池倍率差：正极单晶阵列结构设计使其暴露大量(100)短程快速扩散面；超薄锌金属阵列设计降低锌溶解/沉积的不均匀，提高溶解/沉积动力学。

Ø 针对器件整体的能量、功率密度：传统锌金属片负极极大的抑制了负极的效率和放电深度（通常低于15%），这样浪费了整体器件的能量/功率密度。通过锌金属泡沫的利用，我们获得了极高的锌负极效率（66%），大大提高了器件的能量/功率密度。云鬓花颜换新貌，一曲唱罢天下知。

Ø 总之，锌离子电池必将是花中娇子，储能新宠。莫愁前路无知己，天下谁人不识君。

原文链接：

Dongliang Chao, Changrong (Rose) Zhu, Ming Song, Pei Liang, Xiao Zhang, Nguyen Huy Tiep, Haofei Zhao, John Wang, Rongming Wang, Hua Zhang and Hong Jin Fan, High-Rateand Stable Quasi-Solid-State Zinc-Ion Battery with Novel 2D Layered Zinc Orthovanadate Array, DOI: 10.1002/adma.201803181