“质子库”电解质在宽温域内实现水系Zn/PANI电池高性能

随着现代社会对绿色及高性能储能设备需求的日益增长，水系锌离子电池因其低成本、高安全及锌金属的丰富存储受到了广泛的关注。正极材料是水系锌离子电池的关键组成部分。在已经开发的正极材料中，具有高导电性和离子迁移率的聚苯胺（PANI）材料近年来被广泛研究。然而PANI在电化学过程中存在严重的去质子化问题，结构稳定性和氧化还原动力学被显著影响，导致有限的电化学性能。另外，锌金属负极存在的枝晶和副反应问题及水系电解质高凝固点也限制了水系锌离子电池的进一步发展。因此，探索一种简单的策略实现水系Zn/PANI电池在宽温域的电化学性能是非常有必要的。

近期，东华大学武培怡/焦玉聪研究团队提出聚合物酸基凝胶电解质可用于协同增强Zn/PANI电池在宽温域内的电化学性能。以共聚AMPS（2-acrylamide-2-methyl-1-propanesulfonic acid）和AM（acrylamide）单体得到的双网络聚合物酸基凝胶电解质（PAGE）为例进行研究发现，聚合物酸上的磺酸基团不仅可以作为质子库在电化学过程中缓慢电离提供质子以有效抑制PANI去质子化，还可以诱导Zn²⁺沿002晶面进行无枝晶沉积。另外，3M Zn(ClO₄)₂盐能够显著降低凝胶电解质的冰点，助力电池在低温下的高电化学性能。

图1. PAGE协同增强Zn/PANI电化学性能示意图；PAGE力学及抗冻性能表征

作者通过CV测试证明PAGE主要增强PANI的O2/R2氧化还原过程。在电化学过程中，PAGE通过缓慢的质子电离助力PANI上不易被还原的-N=基团质子化为-NH⁺-基团，从而加快氧化还原进程，实现高的倍率性能。同时，XPS结果证明PANI在PAGE中为双离子电荷存储过程。而Raman测试进一步证明由于PAGE系统中PANI活性位点的增多，双离子电荷存储过程得到了进一步促进，有利于容量的增加。

图2. PAGE促进PANI氧化还原动力学机制研究

PAGE中磺酸基团可诱导Zn²⁺沿002晶面进行沉积。即使在-35 ℃，由该电解质组装的Zn/Zn对称电池依然可以稳定运行超过1,500 h，显示出PAGE较强的枝晶及副反应抑制能力。同时，协同于PAGE对PANI去质子化的抑制及双离子电荷存储的促进作用，使用PAGE组装的Zn/PANI电池显示出优异的倍率性能，高容量和超过70,000次的超长循环寿命。Zn/PANI电池优异的电化学性能充分证明了该聚合物酸基凝胶电解质的作用，为开发高安全性、高性能的水系锌离子电池提供了一种有效的策略。

图3. PAGE基Zn/PANI电池在-35℃下的电化学性能

该成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是东华大学化学与化工学院博士研究生冯豆豆，通讯作者为东华大学化学与化工学院武培怡教授与焦玉聪研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Proton-Reservoir Hydrogel Electrolyte for Long-Term Cycling Zn/PANI Batteries in Wide Temperature Range

Doudou Feng, Yucong Jiao,* and Peiyi Wu*

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202215060

导师介绍

武培怡

https://www.x-mol.com/university/faculty/184146 

焦玉聪

https://www.x-mol.com/university/faculty/347395 

研究团队课题组主页：

http://www.peiyiwu.cn/