新材料学院潘锋团队在可充放电锌离子电池及关键材料研发取得进展

锌具有最低的电化学势（-0.76V vs SHE），体积能量密度是金属锂的3倍，并且在地壳中储量丰富、环境友好，因此锌是一种理想的负极材料。与锂离子电池相比，水体系工作的锌离子电池具有更高的安全性及更低的成本，适用于大规模能量存储领域。但是，锌负极在循环充放电的过程中比金属锂更易形成枝晶，电池短路的风险极大，因此目前实际应用的锌离子电池都是单次使用的一次电池，而非像我们手机使用的可循环充放的锂离子电池。参考锂离子电池领域，采用Zn固态电解质替代电解液有望实现Zn的均匀沉积并抑制枝晶生长，从而推广Zn金属二次电池的应用。遗憾的是，由于二价Zn2+与晶格作用较强，目前尚未发现室温下Zn2+离子电导率较高的固态材料。

北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队利用金属-有机框架材料（MOFs）具有利于离子快速迁移、高度可设计的有序孔道结构，首次研发成功基于MOFs的Zn-单离子导体固态电解质实现可稳定充放电循环的锌离子电池。相关成果以“A MOF-based single-ion Zn2+ solid electrolyte leading to dendrite-free rechargeable Zn batteries”为题发表于近期的国际材料与能源知名杂志Nano Energy（doi：j.nanoen.2018.11.038, 影响因子13.3）。

团队利用离子化后修饰及离子交换等手段，成功地制备了基于MOF-808的Zn2+固态电解质（WZM）（材料的制备过程如下图所示）。它是一种固态的单Zn2+离子导体，室温电导率高达0.21 mS∙cm-1，Zn2+离子迁移数为0.93，电化学窗口为2.20V，满足所有已知的锌离子电池正极材料。这与在电解液中的沉积形貌不同（图e），在WZM固态电解质的作用下，锌的沉积均匀、致密且没有枝晶（图f）。通过对比研究发现，这种优良的沉积形貌得益于带负电的MOF孔道对Zn2+的限制和诱导沉积机制。他们利用WZM固态电解质组装了Zn|WAM|VS2固态电池并进行了测试。室温下250个循环后该固态电池的容量保持率为首圈的89%，展现了良好的倍率性能。

图：a)MOF-808的离子化后修饰过程；b)ZnMOF-808单Zn2+离子导体的结构示意图；c)MOF-808的离子化前后的NMR图谱对比；d)ZnMOF-808单Zn2+离子导体电导率的阿伦尼乌斯曲线；锌片负极在e)1 M ZnSO4电解液和f)ZnMOF-808单Zn2+离子导体中的Zn沉积形貌

该工作由潘锋指导，博士后王子奇为第一作者。以上工作得到国家材料基因组重大专项(2016YFB0700600)、国家自然科学基金、深圳市科技创新委的资助支持。