水系鋅離子電池的高安全性、低成本、高體積比能量和環境友好，被認為在電網儲能系統與可穿戴設備中具有廣泛的應用前景。基于質子反應和Mn2+沉積/溶解機制的二氧化錳正極因高理論容量和高氧化還原電位，是最具產業化潛力的鋅錳電池正極材料。然而，水系鋅離子電池中質子參與二氧化錳反應會導致一系列問題，如堿式硫酸鋅的生成、電解液pH值劇烈波動、電解質消耗等，從而導致電池反應動力學迅速下降、電池容量降低、循環壽命降低等問題。
圖1 SATP/MnO2反應過程示意圖
催化領域中的固體酸可以通過固相反應將質子反應限制在固體酸表面。將其與二氧化錳復合，不僅為二氧化錳反應提供質子，還可以將質子反應限制在固體酸和二氧化錳界面，減少電解液質子消耗。近日，環境與材料工程學院姜付義教授團隊在自然指數期刊Advanced Functional Materials（IF：19）上發表題為《Proton Self-Limiting Effect of Solid Acids Boosts Electrochemical Performance of Zinc-ion Batteries》的學術論文。該工作選取了工業催化中常用的固體酸磺酸型聚苯乙烯-二乙烯基苯（SATP），通過一步水熱法合成了SATP/MnO2混合物，并組裝了Zn//SATP/MnO2電池。電化學測試結果表明，SATP的引入顯著提高了鋅錳電池的倍率性能和循環穩定性。通過原位pH、原位X射線粉末衍射、非原位XPS、高分辨透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等手段，研究了SATP對二氧化錳反應機制的影響，結果表明，SATP可以作為一種新的質子源，為二氧化錳反應提供和吸收質子，并且將部分質子反應限制在SATP/MnO2界面處，從而提高了放電階段MnO2的溶解、減少堿式硫酸鋅的生成、加快了MnO2的電化學反應動力學。該工作為研發高性能水系Zn-MnO2電池提供了一種新的思路。
該論文以煙臺大學為第一單位，碩士研究生陳夢婷為第一作者，姜付義教授、劉文寶博士及清華大學康飛宇教授為論文通訊作者，相關工作得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202404983
來稿時間：5月10日 審核：劉希斌 責任編輯：安興爽
