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Angew. Chem. :基于链-液协同调控的含羧基水凝胶电解质用于稳定锌负极

水系锌离子电容器由于安全稳定、容量密度高、充放电速率快等优点,是解决当前能源危机和环境污染的重要储能技术之一。然而,在循环过程中锌金属表面发生的枝晶生长、析氢以及腐蚀等问题阻碍了锌负极在水系储能中的实际应用。近年来,水凝胶电解质由于兼具固态电解质的稳定性和液态电解质的快速离子传输动力学而被研究人员提出以解决上述问题。一些含有阴离子官能团的聚合物网络具有独特的亲锌特性,可以均匀锌离子通量分布并限制锌表面的二维扩散,起到抑制副反应发生的作用。目前,锌离子、水分子和亲水聚合物链之间的相互作用是否对链-液两相间的离子传输机制以及锌沉积行为产生影响还不甚明晰。因此,探索协同调控水凝胶中局部液相组分和限域离子迁移链以保证水凝胶电解质同时具有优异的机械性能、稳定的界面电化学反应和快速的传质过程具有重要的研究价值。



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近日,浙江农林大学胡勇教授课题组设计了一种新型的含羧基双网络水凝胶电解质用于稳定锌负极界面电化学反应。基于链-液协同调控机制,部分活性水分子从溶剂鞘中被排出,而剩余的配位水分子与羧基官能团形成新的氢键。分子动力学模拟揭示了重构的溶剂化锌离子可以沿聚合物链实现快速定向迁移。所提供的阳离子迁移通道和紧密的界面相互作用可确保高离子电导率(13.6 mS cm–1)以及优越的锌离子转移数(0.68)。此外,制备的水凝胶电解质通过调节电化学界面之间的吸附位点,降低了脱溶剂化能垒并抑制析氢反应,从而实现高效的镀锌/剥离耐久性。

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基于该水凝胶电解质组装的Zn||Zn对称电池可以稳定工作1580小时,Zn||Cu不对称电池可以运行超长的5600小时并保持99.9%的平均库仑效率。最终组装的锌离子混合电容器在0.5 A g–1时的最大比容量为236.8 mAh g–1,经15000次循环后容量保持率高达98.5%。该工作为用于开发稳定锌负极的水凝胶电解质提供了一种新策略。

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文信息

Improved Interfacial Ion Migration and Deposition through the Chain–Liquid Synergistic Effect by a Carboxylated Hydrogel Electrolyte for Stable Zinc Metal Anodes

Cong Tian,+ Jielei Wang,+ Ruoxuan Sun, Tariq Ali, Hongfei Wang,* Bin-Bin Xie,* Yijun Zhong, and Yong Hu*


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202310970




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