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Angew. Chem. :耐碱防冻添加剂实现水系镍锌电池工作在-60 °C

碱性水系镍锌电池由于具有高能量密度、高安全性和低成本等优点引起人们的广泛关注。然而,水系电解质的冻结和碱性条件下恶化的循环稳定性阻碍了它们在低温气候环境下的应用。值得注意的是,该循环稳定性与抗冻能力可以通过控制电解液浓度来关联。增加碱性电解液的浓度可以降低其冰点,但同时会严重降低电池的循环稳定性。相比之下,降低碱性电解液的浓度可以在一定程度上提高循环稳定性,但不能降低抗冻能力。


传统研究通常利用防冻添加剂在多种水系电池中降低电解液的冰点。然而,大多数添加剂在碱性条件下不稳定。


近日,香港城市大学的支春义教授和中国科学院深圳先进技术研究院的彭超副研究员合作,通过先降低碱性电解液的浓度再加入防冻添加剂二甲基亚砜来构建稳定的水系电解液体系用于镍锌电池使其在碱性条件下实现长循环稳定性和优异的抗冻能力。



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该工作首先探究了二甲基亚砜和另外两种常见防冻添加剂在低浓度氢氧化钾溶液里的稳定性能。实验结果显示,只有二甲基亚砜能稳定存在于1 M KOH溶液中。该结果表明二甲基亚砜具有耐碱腐蚀性能。

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作者发现二甲基亚砜防冻添加剂的引入能在碱性条件下延缓锌负极的腐蚀和抑制锌枝晶的形成,最终有效地提高锌负极的循环稳定性能。

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同时,作者发现所构建的电解液的冰点随着二甲基亚砜添加剂摩尔分数的增加呈现先逐渐降低后逐渐升高的现象并通过实验与理论计算共同探究证明了该现象的由来。由此获得当二甲基亚砜的摩尔分数为0.3时,所构建的电解液体系具有最低的冰点为-90°C。


最终,由于该构建的电解液具备良好的防冻性能和稳定锌负极性能,使镍锌电池在碱性条件下实现长循环稳定性和优异的抗冻性能。该工作为设计耐碱性防冻添加剂以降低电解液的冰点和稳定金属负极提供了新的见解,这将推动水系碱性电池具备环境适应性的发展。

文信息

Alkaline Tolerant Antifreezing Additive Enabling Aqueous Zn||Ni Battery Operating at -60 °C

Shengmei Chen, Chao Peng, Dongfeng Xue, Longtao Ma, Chunyi Zhi


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202212767




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