中國儲能網(wǎng)訊：水系鋅金屬電池具有安全性好、成本低廉、清潔環(huán)保等優(yōu)勢，是一類具有應(yīng)用潛力的電化學(xué)儲能技術(shù)。目前已報道的水系鋅金屬電池一般采用嵌入式正極材料，但受限于正極材料對主體框架結(jié)構(gòu)的高度依賴，電池能量密度偏低，限制了其實際應(yīng)用。
與嵌入機制不同，基于轉(zhuǎn)換反應(yīng)機制的正極則有望大幅提高電池能量密度。近日，華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院蔣凱教授和王康麗教授團隊提出了一種基于硫-碳納米管復(fù)合材料轉(zhuǎn)換式正極的低成本高能量密度水系鋅金屬電池。研究表明，水溶液的pH值對硫電極的可逆容量、極化電位、循環(huán)性能均有很大影響。在近中性的鋅基水溶液體系中，硫電極表現(xiàn)出較高的容量和較低的極化。進一步研究發(fā)現(xiàn)，通過添加碘作為氧化還原媒介和提高反應(yīng)溫度，硫電極的活性進一步提高，可逆容量和極化過程均顯著改善。作者通過非原位 XRD、Raman、TEM和XPS等分析測試，揭示了硫電極發(fā)生S?ZnS的可逆轉(zhuǎn)變，同時證實了碘作為氧化還原媒介的循環(huán)穩(wěn)定性。該電池材料體系能量密度達到502 Wh/kg，材料成本低廉（45 $/kWh）。相關(guān)設(shè)計策略和研究結(jié)果為發(fā)展高性能水系鋅基電池提供了新的思路和方法。該成果以“A Low Cost Aqueous Zn–S Battery Realizing Ultrahigh Energy Density ”為題在國際頂級期刊Advanced Science發(fā)表。
圖1 樣品的結(jié)構(gòu)表征。不同硫碳復(fù)合材料的（a）TG和（b）XRD圖譜。（c）S@CNTs-50和CNTs的氮氣吸脫附曲線，（d）CNTs 的TEM照片，（e，f）S@CNTs-50 的TEM照片，和（g-h）S@CNTs-50的TEM mapping。
圖2 S@CNTs-50 電極的電化學(xué)性能。S@CNTs-50在（1）1 M Zn(CF3SO3)2，(2) 1 M ZnSO4，(3) 1 M Zn(CH3COO)2 和（d）1 M Zn(CH3COO)2+ I2鋅溶液中的充放電曲線。S@CNTs-50電極的（e）能量密度和（f）材料成本與報道的體系的比較。
圖3 S@CNTs-50電極的電化學(xué)性能。（a）不同電流密度下的倍率容量和（b）充放電曲線，（c）不同溫度下的充放電曲線，（d）短循環(huán)性能和（e）長循環(huán)性能。
圖4 S@CNTs-50電極的充放電產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征。（a）不同電位下XRD圖譜，（b）不同電位下Raman光譜，（c，d）放電下產(chǎn)物的TEM照片和晶面層間距，（e）放電產(chǎn)物的TEM mapping, 和（f-g）不同狀態(tài)下的XPS圖譜 。
Wei Li, Kangli Wang, Kai Jiang, A Low Cost Aqueous Zn–S Battery Realizing Ultrahigh Energy Density, Adv. Sci., 2020, DOI:10.1002/advs.202000761
