德国开姆尼茨工业大学怎么样

香港理工大学与德国开姆尼茨工业大学及加州大学合作ESM：双添加剂“聚合物”和“离液阴离子“助力锌空气/碘混合电池实现高能效与稳定锌负极

【文章信息】

聚合物与离液阴离子：双添加剂策略助力锌空气/碘混合电池实现高能量效率与稳定锌负极

第一作者：赵思原，赵佳玉

通讯作者：倪萌*，朱旻棽*，Jinhye Bae*, 刘通*

单位：香港理工大学，开姆尼茨工业大学，加州大学圣迭戈分校

【研究背景】

目前锌空气电池应用场景十分受限，基本上仅用于为助听器供电。若想扩大锌空气电池的应用场景（例如储能），还需同时解决“能量效率低（无法入围储能项目招标的门槛）”以及“锌枝晶严重（电池短路导致循环寿命短）”的问题。然而，之前所提出的方案仅针对解决其中一个问题，还没有同时解决这两个问题的策略，这阻碍了锌空气电池在更广阔场景中的应用。

引入电解质添加剂简单易行，有望解决这些问题并提高电池性能。在提高电池能量效率方面，可以引入具有较低氧化电位的离液阴离子I-，以在充电过程中以更快的碘化物氧化反应（IOR）代替缓慢的析氧反应（OER），降低充电电压，提高能量效率。然而，I-对抑制锌枝晶生长作用有限。在解决锌枝晶问题方面，具有丰富极性官能团的聚丙烯酰胺（PAM）添加剂理论上可以诱导均匀的锌沉积，并与水分子相互作用以降低水的活性，但由于其溶解度低，在实际应用中效果有限。此外，PAM也无法提升锌空气电池的能量效率。总的来说，这两种添加剂优势明显但却都存在着缺陷。

【文章简介】

在此，我们提出了同时使用聚合物和离液阴离子的双添加剂策略，以兼顾它们的优点，同时避免它们的缺点。离液阴离子I-可以通过Hofmeister效应促进PAM链的溶解和解缠，从而使更多的官能团与Zn和水分子相互作用。得益于PAM和I-的协同作用，这两种添加剂各自的缺陷得以规避，优势更加明显（更高的能量效率，更好抑制枝晶生长）。结果显示，电池的循环寿命长达240小时，能效高达74.6%，并获得了稳定的锌阳极，减轻了枝晶的生长，提高了锌利用率。此外，我们还发现速率更快的IOR过程可使电池在-20°C下稳定运行，进一步拓宽了锌空气电池的应用场景。

图1. 聚合物和离液阴离子：双添加剂策略。

【本文要点】

要点一：含有PAM和I-的KOH溶液状态

通过红外光谱表征，发现PAM在碱性条件下会部分水解成碱性PAM (APAM)，酰胺CONH转变为羧基COO，并释放出氨气。羧基比酰胺具有更强的极性，可以更好的与锌酸盐离子和水分子结合。我们通过对比添加I-前后的KOH+PAM溶液，发现添加I-后的溶液粘度更低，且电导率更高，说明离液阴离子I-通过Hofmeister效应促进了PAM链的解缠绕和溶解。

要点二：APAM和I-对水分子的单独和协同作用

通过红外光谱以及核磁氢谱的表征，发现在KOH溶液中，若只加入PAM添加剂，缠绕溶胀的APAM链暴露的极性官能团较少，并且与水分子的相互作用有限，无法抑制水的活性；若只加入碘离子，由于I-本身的离液性质，其溶液中水的活性降低；而在同时加入了PAM和I-后，I-可以释放APAM与水分子相互作用的潜力，并与APAM形成更大的协同效应，以削弱水分子之间的氢键，更大程度上抑制水的活性，进而反映在锌的腐蚀电流降低，HER的起始电位更负。

要点三：APAM和I-对锌枝晶的单独和协同作用

通过电化学锌沉积以及显微镜原位观察等手段，发现若只加入I-添加剂，锌沉积曲线与未添加的相比并无明显差异；若只加入PAM，由于APMA对于锌表面的吸附，枝晶生长得到一定缓解；而在同时加入了PAM和I-后，I-可以使纠缠的APAM链舒展开来，不仅可以更好地吸附在锌表面，而且可以更好地充当锌离子的载体并实现均匀的锌沉积。

要点四：锌空气/碘混合电池在常温以及零下的性能

同时添加PAM和I-的锌空气/碘混合电池展现出优异的性能，主要体现在更高的能量效率：在20电密的条件下，能效仍高于70%（充电电压低于1.8V） ；以及更长的循环寿命：在5电密，2小时/循环的条件下，可稳定工作240小时，即时是在零下20度，电池也可稳定循环200小时。

【文章链接】

Polymer and Chaotropic Anion: A Dual-Additive Strategy Enables Stable Zn Anode and High Energy Efficiency for Zn-Air/Iodide Hybrid Batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103630

【通讯作者简介】

倪萌教授简介：倪萌教授2007年于香港大学获得博士学位，2009年加入香港理工大学，目前为香港理工大学讲席教授 (Chair Professor)，德国洪堡学者，香港研究资助局（RGC）高级研究学者（Senior Research Fellow）。倪萌教授目前担任Energy Reviews（Elsevier）联合主编，Sustainable Energy Technologies and Assessments (Elsevier)和e-Prime (Elsevier)高级编辑，也是International Journal of Green Energy (Taylor & Francis), Energy Storage (Wiley), 及The Canadian Journal of Chemical Engineering (Wiley)的副主编。倪萌教授的研究主要包括固体氧化物电池及金属空气电池。

朱旻棽研究员简介：2017年获得香港城市大学博士学位，随后加入了德国莱布尼茨IFW德累斯顿综合纳米科学研究所(IIN)课题组，领导微尺度储能研究。2022年，他担任德国开姆尼茨工业大学纳米膜材料、结构和集成研究中心(MAIN)课题组长。在欧洲研究委员会(启动基金)的支持下，他聚焦研究可片上制造的尘埃大小的电池，用于智能微系统中的单片集成。目前h指数为49，引用总数>10000。