摘要：固态聚合物电解质（SPEs）在抑制锌金属阳极的不受控枝晶形成和析氢反应（HER）方面具有优势，提供了良好的电化学稳定性和高工作电压。然而，SPEs的离子导电性低，无法满足锌基电池高功率密度的性能需求。

第一作者：Yue Hou

通讯作者：支春义、梁国进

通讯单位：香港城市大学

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固态聚合物电解质（SPEs）在抑制锌金属阳极的不受控枝晶形成和析氢反应（HER）方面具有优势，提供了良好的电化学稳定性和高工作电压。然而，SPEs的离子导电性低，无法满足锌基电池高功率密度的性能需求。

本研究首次通过调节宿主聚合物框架的高介电常数（εr）和铁电畴来促进盐的解离和离子传输，从而增强SPEs的离子导电性和阳离子的迁移性。具体来说，通过使用基于[(PVDF-TrFE-CTFE)]（简称PVTF）的SPE，实现了高达1.07 mS cm-1的高离子导电性。

制备的对称Zn||Zn电池基于PVTF SPE能够提供超过210天（>5000小时）的出色循环稳定性。当与阴极配对时，开发的固态可充电锌混合电池（RZHBs）能够以高达10 C的高倍率运行，并在2 C的电流密度下1000次稳定循环，体现了在由RZHBs供电的便携式设备中的实际应用前景。

图1：P(VDF-TrFE-CTFE)聚合物中纳米畴形成的示意图，PVTF和PVDF的FTIR曲线，不同聚合物在环境温度下εr'随频率变化的函数，以及PVDF SPEs和PVTF SPEs在25°C时的拉曼光谱。

图2：PVTF SPE和PVDF SPE的Arrhenius曲线，不同SPE在20至80°C温度范围内的离子导电性比较，通过密度泛函理论（DFT）计算得到的Li+和Zn2+在PVTF SPE上的吸附能，以及Zn|PVTF SPE|Zn电池在20 mV极化电压下的计时电流曲线。

图3：基于PVTF SPE的Zn‖Ti不对称电池的循环伏安（CV）曲线，Zn||Ti电池的循环测试和相应的恒流充放电（GCD）曲线，Zn|PVTF SPE|Zn电池在不同电流密度下的电压曲线，以及Zn阳极在0.5 mA cm-2下50个循环后的扫描电镜（SEM）图像。

图4：Zn|PVTF SPE|LMO和Zn|PVTF SPE|LFP电池的CV曲线，不同倍率下的倍率性能和相应的GCD曲线，以及与其他工作的固态Zn离子电池性能比较。

总结展望

本研究成功展示了聚合物基质的介电性质对于实现SPEs中高离子导电性的重要性。通过选择具有高εr的PVTF作为基础聚合物网络，增强了SPEs中的盐解离。

实验和理论分析表明，设计的PVTF基SPE具有纳米畴结构和高εr，能够增强聚合物基质与阳离子的相互作用，从而促进离子的移动性，实现了1.07 mS cm-1的高离子导电性。

使用PVTF SPE组装的Zn||Zn对称电池在0.1 mA cm-2的电流密度下展示了超过210天（>5000小时）的稳定循环寿命。此外，与LFP阴极配对时，全固态RZHBs能够以10 C的高倍率运行，并在2 C的电流密度下维持1000个周期的超长稳定循环寿命。

这些结果表明，开发具有出色介电性的SPEs是提高离子导电性和传输能力的一种直观而有效的策略，为RZHBs的实际应用展示了巨大的前景。

文献信息

标题：Graphene aerogels for efficient energy storage and conversion

期刊：Energy & Environmental Science

来源：华算科技