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Angew. Chem. :聚合物酸凝胶电解质助力高性能水系Zn/PANI电池

电子时代的迅速发展对储能设备的性能提出了更高的要求。水系锌离子电池因其高安全,低成本及锌金属储量丰富等优点受到了广泛的关注。聚苯胺(PANI)由于其长π-电子共轭结构和丰富的活性位点表现出高的电子导电性和离子迁移率,被认为是水系锌离子电池理想的正极材料。


然而,PANI在电化学过程中存在严重的去质子化问题,不仅影响其结构稳定性,还显著降低了其容量,倍率性能和循环寿命;其次锌负极存在的枝晶及副反应问题也会进一步恶化电池的整体性能。


近日,东华大学的武培怡/焦玉聪研究团队通过共聚AMPS(2-acrylamide-2-methyl-1-propanesulfonic acid)和AM(acrylamide),并以3M Zn(ClO4)2为电解质盐制备了一种聚合物酸基凝胶电解质PAGE,通过电解质上磺酸功能基团在电化学过程中提供稳定的质子供给并诱导锌离子均匀沉积行为协同实现在宽温度范围内超高性能的水系Zn/PANI电池。



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基于溶胀增强策略制备的双网络凝胶电解质结构稳定,在典型的chaotropic ClO4-盐中展现出明显的抗溶胀行为和优良的力学性能。通过调控电解质中氢键及与电解质盐之间的相互作用,实现宽温度范围内的高离子电导率。

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氧化还原动力学研究显示聚酸电解质助力的PANI正极主要表现为表面控制的赝电容贡献,表明了快速的电荷存储过程。GITT和EIS结果进一步表明PAGE系统中PANI具有高的锌离子扩散系数和低的扩散阻力,有利于PANI快速的氧化还原动力学。

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CV对比及DFT计算结果证明了PAGE可以在电化学过程中作为质子库,促进PANI的质子化过程,并产生更多的氧化还原活性位点,从而有利于Zn/PANI电池倍率性能和容量的提高。Ex situ XPS和in situ Raman测试进一步证明了由于PAGE对PANI质子化的作用,PANI可以进行更为彻底的氧化还原反应

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另外,PAGE中的磺酸基团可以在电化学过程中诱导Zn2+沿002晶面沉积,显著抑制锌枝晶及副反应。最终,结合电解质盐增强的抗冻性能,基于PAGE组装的Zn/Zn对称电池在-35℃表现出超长的稳定循环寿命和高的累积电镀容量。组装的Zn/PANI电池也表现出高的容量,优异的倍率性能和超过70,000次的长循环稳定性。该工作为利用凝胶电解质实现高性能水系锌离子电池提供了一种新的策略。

文信息

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

Doudou Feng, Yucong Jiao*, Peiyi Wu*


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202215060




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