祝方明課題組水系可充電鋅電池研究進展

随着現代電子/光電/傳感器技術的蓬勃發展，迫切要求開發具有優異儲能性能、低成本、高安全性的先進能源器件。為此，水系可充電鋅電池因其理論容量大(820 mAh g-1)、環境友好性強、鋅的地球儲量高、電解質水溶液的離子電導率高而成為研究熱點。它們可以在安全性、成本和倍率性能方面提供額外的優勢，以解決普遍使用有機電解質的锂電池的局限性。鋅電池發展的關鍵是尋找匹配的陰極材料。在可用的有限資源中，聚苯胺(PANI)及其衍生物等聚合物因其制備簡單、氧化還原可逆性好、穩定性高而成為鋅二次電池的理想材料。與金屬氧化物和有機化合物等其他替代品相比，它們具有更高的導電性。一般來說，鋅陽極在pH<4時容易發生腐蝕，使用中性或微酸性電解質而不是堿性電解質對鋅陽極的枝晶生長有抑制作用。然而，聚苯胺在較高的pH值(pH > 4)下的電活性較差，這一矛盾的pH要求限制了水溶液中鋅-聚苯胺電池的電化學性能，尤其是在近中性介質中。另外，其他聚合物如聚吡咯(PPy)，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)，共價有機框架(COFs)也被用作潛在的陰極。盡管取得了一些進展，但現有的具有多種聚合物陰極的水相鋅電池往往存在比容量有限(<300 mAh g-1)或循環穩定性不足的問題。因此，在溫和電解質中開發高容量、長壽命的水性聚合物鋅電池仍然是一個巨大的挑戰。

為解決這一問題，祝方明課題組的謝秀麗同學通過祝方明和餘丁山教授的指導，介紹了在單個兩電極Zn電池中同時利用外部環境中的“空氣”和光來實現顯着改善的儲能性能，快速自充電以及從Zn聚合物電池到Zn空氣電池的可切換多模運行。在接近中性的介質（pH = 5）中具有出色的環境适應性，可用于電池的充電/重複使用。新開發的多功能電池是基于“一體化”陰極設計的，陰極由碳布（PANINA/CC）上排列的聚苯胺納米棒陣列作為活性層、以及防水透氣層和空氣阻擋層組成，集可逆的氧化還原能力、氧還原催化活性和光熱響應性于一體。這種設計不僅促進了電子和離子的轉移以及大比例的表面/近表面反應，而且允許從環境“空氣”和光中進行多種能量收集、能量轉換和儲存在一個陰極中的有效集成。因此，該系統可以作為一個集光的可充電鋅-聚苯胺電池，具有顯著的比容量為430.0 mAh g-1，超過了目前所有的鋅電池聚合物陰極。即使沒有任何外部電源，該系統也可以通過自發的氧化還原反應從環境空氣中獲取化學能，形成自充電的Zn -聚合物電池模式，僅在自充電20分鐘後就可以産生了363.1 mAh g-1的高放電容量。另外，通過空氣供應，該系統還可以切換到光響應的鋅-空氣電池模式，以克服鋅-聚合物電池模式的輸出容量限制，實現連續供電。這項研究為充分利用複雜的自然環境為下一代多功能集成能源系統提供了一個有吸引力的研究方向。該研究以題為“Harvesting Air and Light Energy via “All-in-One” Polymer Cathodes for High-Capacity, Self-Chargeable, and Multimode-Switching Zinc Batteries”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。