朱智強課題組在水系鋅硫電池電解液設計領域取得重要進展

近日，2003网站太阳集团朱智強教授課題組在水系鋅硫電池電解液設計領域取得重要進展，在國際頂級期刊《Angewandte Chemie》在線發表題為“Boosting Cathode Activity and Anode Stability of Zn-S Batteries in Aqueous Media Through Cosolvent-Catalyst Synergy”的研究論文。

高性能儲能技術的發展對解決當前能源和環境危機至關重要。水系鋅離子電池因其資源豐富、環保、安全可靠等優點備受關注。然而，目前水系鋅離子電池主要依賴于容量較低的嵌入型正極材料，能量密度普遍較低。基于轉化反應機制的硫正極具有理論比容量高、成本低廉等優點，正好可以彌補水系鋅離子電池能量密度不足的劣勢。因此，水系鋅硫電池被認為是一種很有前景的大規模儲能技術。但在水相系統中硫陰極的固固轉化反應動力學非常緩慢，且存在不可逆的界面副反應，鋅陽極也存在嚴重的析氫副反應和枝晶生長等問題，嚴重阻礙了鋅硫電池的實際應用。

朱智強教授課題組以三氟甲基磺酸鋅為鋅鹽，四乙二醇二甲醚（G4）和水作為助溶劑，碘作為添加劑，基于助溶劑-催化劑協同效應發展了一種具有普适性的“雞尾酒優化”電解液策略以針對性的解決水系鋅硫電池所面臨的問題。本文設計的“雞尾酒優化”電解體系為2M Zn(OTF)₂+ 0.15 wt% I₂in 40% (vol) G4/water。其中G4作為共溶劑具有比水更高的親硫性，不僅可以改善電解液對硫陰極的潤濕性，提高界面電荷傳輸，還可以阻礙硫陰極與水的直接接觸，抑制界面副反應。此外，G4-I₂的協同作用可以激活高效的極性I₃⁻/I⁻催化劑，促進硫的轉化反應動力學。另一方面，具有氧化性I₃⁻聚陰離子在循環過程中會促進Zn(OTF)₂鹽的分解，并在鋅陽極表面原位形成一層穩定的有機-無機雜化固體電解質界面膜，進而大幅提升鋅陽極的循環穩定性。因此，設計的“雞尾酒優化”電解液可以全面提升鋅硫電池的電化學性能。同時，該電解液的設計策略也可以推廣到其他醚/水混合電解質（如：乙二醇二甲醚/水，二乙二醇二甲醚/水），顯示了“雞尾酒優化”電解質設計策略的普遍性。該工作為推動水系鋅硫電池電解液的基礎研究的發展做出了重要貢獻。

“雞尾酒優化”電解液助溶劑-催化劑協同效應提升鋅硫電池性能示意圖。

2003网站太阳集团朱智強教授、顔子超助理教授，湘潭大學化學學院劉黎教授是該工作的共同通訊作者，2003网站太阳集团為第一通訊單位。博士研究生陽敏為文章第一作者。該工作的主要合作者還有湖南工業大學理學院肖金博士，澳洲卧龍崗大學王雲曉高級研究員。該工作得到了國家自然科學基金、湖南省自然科學基金和湖南省研究生科研創新項目的支持。