中国科大提出纳米胶束电解质新思路并用于高性能水系锌锰二次电池

近日，中国科学技术大学闫立峰教授课题组通过利用两亲性甲基脲分子，设计了一种新型结构的水基纳米胶束电解质。这一工作打破了以往对于电解质连续溶剂相的认识，通过纳米胶束结构包裹了自由移动的离子，建立了局部/界面相互作用网络，通过金属离子的控制释放，有效地维持了离子的三维扩散形式和有利的界面成核反应，实现了金属枝晶和电极副反应的有效抑制。相关研究成果率先在锌-锰电池体系中得到了证实，并发表于化学专业知名期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)。
 
　　锌离子电池由于锌阳极的高理论比容量(820 mA h g-1)、高储量、成本低、氧化还原电位低(-0.762 V vs. SHE)等优势，被认为是下一代清洁能源存储的有前途的候选者。然而，锌离子电池的寿命受到锌阳极不可逆电化学反应的严重限制，如析氢反应(HER)、“死锌”的持续积累以及不受控制的枝晶生长等。同时，以二氧化锰为正极材料代表的一系列锌离子电池普遍具有低的工作电压(<1.5 V)和难以匹配锌阳极的电极容量。如何通过电解质的设计优化来调控锌电池的电化学性能是至关重要的问题。
 
　　该文提出了一种独特的纳米胶束电解质设计思路，由ZnSO4、MnSO4和高浓度甲基脲(Mu)分子通过自组装策略构建，水溶剂环境被划分为亲水区和疏水区，阳离子和阴离子则被封装到纳米域中(图1)。纳米胶束阻断了连续的水基体相，打破了水分子之间氢键网络并在胶束内部和胶束/水界面上重构了局部氢键。此外，Mu分子参与了Zn2+/Mn2+离子的溶剂鞘结构，排斥了溶剂化水分子，降低了脱溶剂化能垒，抑制了水分解反应。更重要的是，Zn2+/Mn2+离子可以可控地从胶束团簇中释放出来，以三维扩散方式扩散并在电极表面均匀沉积。此外，在锌阳极表面一种新的固体电解质界面(SEI)保护层Znx(Mu)ySO4∙nH2O得以原位生成，以避免水分子持续渗入造成的锌腐蚀。

                                                            图1.胶束电解质的自组装示意图
 
　　动态光散射结果表明电解质A3Mu中存在约14nm左右的纳米胶束，核磁结果证实了胶束内部的多重氢键相互作用，DFT计算结果也表明Zn2+/Mn2+和Mu分子上的羰基和具有更强的结合能力，进而有利于进入到胶束内核中，减少溶剂鞘结构中的水分子数(图2)。此外，红外，拉曼光谱结果也识别到了SO42-阴离子扭曲的正四面体结构，可能是由于胶束内部拥挤的空间和电荷-偶极相互作用造成的，这些结果表明了胶束电解质的成功构建。

                                            图2.胶束电解质的核磁，红外，拉曼以及结合能计算表征
 
　　得益于胶束电解质内部氢键的重构，电解质和碳布正极界面接触角降低，MnO2/Mn2+成核电位降低，同时由于Mn2+的控制释放特性，生成了反应可逆性更高，结构更加疏松的二氧化锰颗粒。在不同SOC状态下，非原位SEM，XPS，Raman, XRD等测试方法核实了高度可逆的二电子转化反应。利用二电子反应的锌锰电池显示出前所未有的高能量密度800.4 Wh kg-1(基于正极活性材料)以及高达1.87 V的放电电压(图3)。

                                                            图3.Zn||Mn 电池的电化学性能
 
　　中国科学技术大学化学与材料科学学院博士生邓永琦为该文章的第一作者，闫立峰教授为通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金和中国科学技术大学的经费资助。