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复旦大学王永刚教授研究团队在柔性水系锌电池研究取得新进展
发布时间:2018-09-19 

       近日,复旦大学王永刚教授研究团队在环境友好的柔性水系锌电池研究方面取得了新突破,相关研究成果发表在《德国应用化学》 (Angew. Chem. Int. Ed.)杂志上(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 11737)。

       水系锌电池由于采用具有高能量密度、环境友好、成本低廉等优势的锌金属负极,是近年来备受关注的极具竞争力的储能体系之一。但是,由于目前可用的正极材料的性能不甚理想,水系锌电池的研究重点主要集中在寻找合适的正极材料上。此外,柔性可穿戴电子器件的需求日益增长,亟需开发相应的具有高安全性、可弯曲、电化学性能优异的储能体系。尽管锂离子电池等储能体系发展比较成熟,且具有良好的性能,但是,由于这些体系中包含有毒或存在环境隐患的成分,并且不具备良好的弯曲性能,不能满足为柔性电子器件供能的需要。

 

       为解决以上问题,该研究团队采用具有高安全性、高比容量的有机物——芘四酮 (pyrene-4,5,9,10-tetraone, PTO)作为正极材料,与金属锌负极配对,以温和的锌盐溶液作为电解液,组装成柔性水系锌电池。该电池的所有组分均具有低毒或无毒、环境友好的特点,满足了柔性器件对于安全性的要求。该电池的充放电机理是基于锌离子在PTO正极和金属锌负极上的可逆反应。在放电过程中,金属锌负极上的锌原子被氧化为锌离子进入电解液中,同时电解液中的锌离子与PTO正极上羰基的氧原子配位。充电过程与之相反。该水系锌电池表现出高达186.7 Wh/kg的能量密度(按正负极活性物质计算),以及超过1000圈的长循环寿命。锌离子与正极材料可逆配位的机理使之具有类似超级电容器的极快的反应动力学。另外,研究人员基于该体系,组装了二维表带状柔性水系锌电池。该柔性电池表现出优异的机械性能和可弯曲性能,在弯曲多次且弯曲不同角度时,电池容量几乎不发生衰减。因此,该水系锌电池具有出色的电化学性能,并且成分低毒、环境友好,不仅可以用于大型储能,还可用于为柔性可穿戴电子器件供能,为未来电池的设计和发展提供了借鉴作用。同时,需要指出的是,目前该研究工作尚处于初级阶段,有机电极材料的低电子导电性仍需提高,并且锌负极上的枝晶形成问题仍需改善。为实现该电池的实际应用,对于电极材料的优化将成为下一步的研究方向。

       该论文第一作者为化学系直博生郭昭薇,通讯作者为王永刚教授。该项目得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。

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