【儀表網 研發(fā)快訊】實用的高能量/功率密度的可充電鋅離子電池是可持續(xù)能源存儲的理想選擇，但其仍然受到不可逆枝晶生長和低鋅利用率的限制。由于Zn/Zn2+反應過程本質上是動態(tài)正反饋循環(huán)，因此不可避免地會出現(xiàn)不均勻鋅沉積行為并不斷惡化。特別是在高放電深度(DOD)和大電流密度/容量下，快速的動態(tài)反應過程會放大累積的枝晶生長和副反應，導致電池在鋅負極嚴重過剩的情況下快速失效，造成較低的能量/功率密度。因此，迫切需要新穎的電解質策略來推動鋅離子電池在高能量和功率密度下穩(wěn)定工作。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，西北工業(yè)大學黃維院士團隊官操教授課題組受血液系統(tǒng)中動態(tài)凝血/抗凝過程的啟發(fā)，提出了一種自調節(jié)的負反饋“激素”電解質(圖1)。仿生“激素”重塑Zn2+配位微環(huán)境，動態(tài)吸附在初始不均勻的鋅尖端上，自發(fā)排斥Zn2+并屏蔽H2O分子，從而形成負反饋回路，優(yōu)化副反應問題和Zn2+沉積過程(圖2)。與以往報道的基于靜態(tài)修飾的電解質策略相反，負反饋電解質動態(tài)感知和調節(jié)出現(xiàn)的不均勻鋅尖端，顯著提高高電流密度/容量條件下的鋅負極穩(wěn)定性。采用“激素”電解質的鋅電極可以在20 mA cm-2/10 mAh cm-2(85.5% DOD)和50 mA cm-2/20 mAh cm-2(68.3% DOD)條件下穩(wěn)定循環(huán)240小時，累積容量高達6000 mAh cm-2(圖3)。此外，該電池具有高能量/功率密度(252.63 W kg-1/101.05 Wh kg-1)，為開發(fā)長時穩(wěn)定的實用化金屬電池提供新穎的策略。
 

圖1.仿生負反饋電解質設計。
 

圖2.“激素”電解質的作用機理研究。
 

圖3.鋅負極的電化學性能評價。
 

　　這項研究以"Bio-inspired hormonic electrolyte: negative feedback for ultra-stable zinc anodes"為題，發(fā)表在國際頂級期刊《能源與環(huán)境科學》(Energy & Environmental Science)上。西北工業(yè)大學柔性電子研究院博士研究生卜凡和碩士研究生剌少菲為論文第一作者，官操教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、陜西省自然科學基金以及西安市自然科學基金等項目的資助。