具有高电压放电平台的柔性水系锌基混合离子电池

从传统的碱性锌电池到如今的中性/弱酸性锌离子电池，基于锌金属负极的水系电池变得越来越安全可靠，也促使它成为可穿戴柔性电子器件中极具应用前景的储能器件。然而对于水系锌电池，工作电压成为制约其实际应用的一大瓶颈。一方面，水系锌电池的工作电压完全受限于水系电解液的电化学稳定窗口，难以取得突破。另一方面，许多文献报道的锌电池在工作时仅能输出很低的放电电压平台，或是没有电压平台，而是呈电容器式的放电斜坡。这些电池尽管具有较高的放电容量（比如基于钒系正极材料的锌离子电池），其实际能量密度并不突出，不利于稳定持续的高能量供给，制约了柔性可穿戴应用的发展。

锂电池领域丰富的研究经验为锌电池的研究提供了许多有价值的参考。由于较厚的水合层以及较大的电荷直径比，锌离子的嵌入/脱出动力学比较缓慢，许多优秀的储锂正极材料并不能很好地供锌离子嵌入/脱出。于此，构建锌/锂离子混合电池不失为一个有效的解决方案，这不仅能利用大量性能优异的锂电正极材料，同时有望实现水系电池平缓、高电压的放电平台，为柔性可穿戴器件提供稳定持续的电压输出。

最近，香港城市大学支春义教授（点击查看介绍）课题组设计了一个以高电位LiVPO₄F储锂材料为正极、锌金属为负极的水系混合离子电池。为实现锂离子在LiVPO₄F正极可逆的嵌入/脱出，该课题组采用了高浓度的水系双离子电解液（HCE），它具有更宽的电化学稳定窗口，其析氧电位比普通电解液高出0.5 V以上。采用此方案制得的锌基混合离子电池，具有2.1 V的高开路电压，接近1.9 V的放电平台，以及1.8 V的中值电压，是目前所有报导的锌基电池体系中最高值之一。其能量密度达到了235.6 Wh kg^-1，高于大部分文献报道的水系电池体系。该课题组进一步制备了基于HCE的固态水凝胶电解质，该电解质具有优异的柔韧性和保水性。基于此固态水凝胶电解质的柔性水系锌基混合离子电池能够在各种弯曲形变下保持稳定的性能，并通过串联组装成自供能的柔性冷光板系统。将两块此柔性水系锌基混合离子电池串联成可穿戴电子表的表带，可以实现0.8 A g^-1下3.7 V稳定持续的电压输出，能良好兼容采用传统锂离子电池的电子器件。

相关成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，论文的第一作者是香港城市大学博士生刘卓鑫。

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A Flexible Solid-State Aqueous Zinc Hybrid Battery with Flat and High‐Voltage Discharge Plateau

Zhuoxin Liu, Qi Yang, Donghong Wang, Guojin Liang, Youhuan Zhu, Funian Mo, Zhaodong Huang, Xinliang Li, Longtao Ma, Tiancheng Tang, Zhouguang Lu, Chunyi Zhi

Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201902473

导师介绍

支春义

https://www.x-mol.com/university/faculty/35062