水系锌电池因其本质高安全性、资源丰富、比能量高、环境友好等综合优势，被认为是储能规模应用的理想技术之一，受到研究和产业界的广泛关注。水系锌电池的工程化应用严重受制于正负极、隔膜、电解液等关键瓶颈材料，反应机理复杂，循环稳定性等电化学性能急需提升。近期，中国科学院上海硅酸盐研究所电力储能技术与应用团队聚焦上述科学瓶颈，在水系锌电池的新材料设计、界面稳定化等方面系统开展研究工作。
聚焦低成本锰基正极材料，团队首次提出了一种高可逆有机配体稳定Mn3+，同时提高电池电压的策略，开发出新型的有机配位锰正极材料，解决了传统无机锰氧化物正极材料所面临的低电压以及Mn3+歧化/溶解反应等问题。利用超大分子量的聚丙烯酸钠（PAL-Na）与金属离子之间的特殊配位交联作用，以及不可溶的羧基聚合物配体在近中性电解液中稳定Mn3+，实现了Mn3+/Mn2+转化反应储能新机理。Mn3+/Mn2+反应不仅展现出高电压1.67 V (vs. Zn2+/Zn)，而且赋予了水系锌金属电池高能量密度（600 Wh/kg）和出色的循环稳定性（4000次）。相关工作成果发表在Angewandte Chemie, 2023, DOI: 10.1002/anie.202309430，第一作者为2021级硕士生张非凡。
有机配位锰正极材料的反应机理及电化学性能示意图
隔膜材料方面，团队通过亲疏水平衡和刚柔性结合的创新性思路，设计出一种新型隔膜材料P/FS-Z，由疏水性PTFE柔性基体、亲水性SiO2纳米填料和锌盐通过独特的湿轧方法制备出。P/FS-Z隔膜可实现高达12000 mAh/cm2的超高累积沉积容量，并在 80% Zn DOD 下实现 700 小时的长循环寿命。P/FS-Z 隔膜完全可回收，并可用于储能或者可穿戴设备的高比能软包电池。这种新型隔膜从原材料到工艺，均满足水系电池规模化应用的低成本、易于量产的要求，填补了(近)中性水系锌电池高性能低成本隔膜材料的空白。相关工作成果发表在Energy & Environmental Science, 2023, DOI: 10.1039/d3ee01575k，第一作者为2021级直博生姚凌波。
新型P/FS-Z隔膜的基本性能及电池性能和应用展示
进一步围绕电解液界面调控，团队原位构建出物理-化学-电化学三方面协同调控的无机/有机界面SEI层，通过将有机离子液体（EMIMBF4）引入无机水系电解液体系，其中阳离子EMIM+能在金属电极表面优先发生物理吸附，从而屏蔽尖端效应；阴离子BF4-通过原位化学反应生成无机ZnF2 SEI膜；实现了Zn(002)优势晶面的均匀电化学沉积，抑制了锌负极的界面电化学腐蚀等副反应，赋予了锌金属电池大沉积量下的长循环稳定性以及近100%的高库仑效率，满足大容量储能电池工程化应用。相关工作成果发表在Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/D3TA03501H，第一作者为2021级硕博连读生王格格。
水系电解液界面调控机制示意图
上述研究工作的指导教师为刘宇研究员、迟晓伟研究员。
相关研究工作获基金委、中国科学院、企业合作相关项目支持。
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