摘要：本文提出了一种聚合物异质电解质（PHE），用于实现高电压的锌（Zn）/锂（Li）混合电池。锌电池因其高氧化还原电位而导致低电压和低能量密度，限制了其在许多高能量需求应用中的应用。尽管使用高电压正极材料如尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）可以提
第一作者：Ze Chen, Tairan Wang
通讯作者：支春义、范俊、Minshen Zhu
通讯单位：香港城市大学、克姆尼茨理工大学
本文提出了一种聚合物异质电解质（PHE），用于实现高电压的锌（Zn）/锂（Li）混合电池。锌电池因其高氧化还原电位而导致低电压和低能量密度，限制了其在许多高能量需求应用中的应用。尽管使用高电压正极材料如尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）可以提高锌电池的电压，但Zn2+离子一旦嵌入LNMO中，就会不可逆地固定下来。
本研究设计的PHE由负极层和正极层组成，负极层以Zn2+作为电荷载体，而正极层则阻止Zn2+离子的穿梭，从而允许Zn和Li的可逆分离。
因此，Zn‖LNMO电池展示了高达2.4V的放电电压和450个稳定循环的高可逆容量，这些性能也在扩大规模的软包电池中得到了实现。软包电池在静置28天后显示出低自放电。设计的电解质为开发基于可逆锂化正极的高电压锌电池铺平了道路。
图1：可充电Zn‖LNMO电池的挑战，包括Zn‖LNMO电池的示意图、恒流充放电（GCD）曲线、LNMO电极初始状态和放电状态后的X射线衍射（XRD）图谱，以及基于分离的Zn2+和Li+聚合物电解液的Zn‖LNMO电池的GCD曲线。
图2：PHE的组成和离子迁移性，包括PHE在电池中的示意图、CPL和APL的表面扫描电镜（SEM）图像、PHE的截面图像、PHE中Zn和Li的元素分布、不同聚合物基质中Zn2+和Li+离子的离子电导率和离子传输数。
图3：PHE中离子迁移的机理，包括PMA中Li+和Zn2+离子与OTF阴离子的快照、PMA基质中Zn2+和Li+的扩散系数、不同温度下PHE的Bode图、PHE中离子迁移的模拟、不同离子从APL到CPL侧移动的PMF、PHE中离子迁移的示意图、Li‖Cu电池的GCD曲线用于测试金属Zn电极的库仑效率、基于PHE的Li‖Zn电池的GCD曲线和循环性能。
图4：使用PHE的锌电池的电化学性能，包括Zn‖LNMO扣式电池的CV曲线、GCD曲线、不同倍率下的倍率性能、0.5 C下的循环性能和库仑效率、与其他锌离子电池和锌混合电池在室温下的放电电压和容量的比较。
图5：Zn‖LNMO软包电池的电化学性能，包括软包电池在休息后的GCD曲线和Nyquist图、0.5 C下的循环性能、与其他锌混合电池软包电池性能的比较。
总结展望
本研究开发的聚合物异质电解质（PHE）成功解决了锌电池中Zn2+离子在高电压正极材料中的不可逆嵌入问题，实现了2.4V的高放电电压和450个稳定循环的高可逆容量。
PHE由允许快速Zn2+离子传输的负极聚合物层（APL）和阻止Zn2+离子传输的正极聚合物层（CPL）组成，通过添加交联聚甲基丙烯酸酯（PMA）实现Zn2+离子的有效阻断。
这种设计不仅提高了电池的能量密度，还保持了高电压和高容量，证明了PHE在扩大规模电池中的可行性。此外，软包电池在长时间静置后显示出较低的自放电，且在循环测试中保持了高稳定性和库仑效率。
这些结果表明，PHE为开发高电压锌电池提供了一种有效的策略，有望推动锌电池在高能量需求应用中的发展。
文献信息
标题：Polymer hetero-electrolyte enabled solidstate 2.4-V Zn/Li hybrid batteries
期刊：Nature Communications
来源：华算科技