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支春義/朱文光/劉瑋書Nature子刊: 顛覆！性能超越常溫的低溫水系鋅離子電池

可充電電池的性能受到工作環(huán)境溫度的強烈影響，特別是低溫（例如≤0°C）不利于有效的電池循環(huán)，這是一個長期存在的問題。

在此，為了解決上述問題，香港城市大學支春義教授、南方科技大學劉瑋書研究員及中國科學技術(shù)大學朱文光教授等人提出了一種低溫水系鋅離子電池（AZIB），該電池由少層Bi₂Se₃納米片（拓撲絕緣體，E-Bi₂Se₃）作為正極、金屬鋅作為負極和防凍聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠電解質(zhì)組成，其中高濃度鹽與乙二醇一起摻入（表示為HC-EGPAM）。塊狀Bi₂Se₃（P-Bi₂Se₃）通過水熱插層很容易剝離成E-Bi₂Se₃，以增強拓撲表面態(tài)的耦合優(yōu)勢。

令人驚訝的是，Zn||E-Bi₂Se₃電池表現(xiàn)出異常的低溫性能（-20 °C、0.3 A g^-1時的容量高達524 mAh g^-1），甚至優(yōu)于其在25 °C時的性能（在0.3 A g^-1時的容量為327 mAh g^-1）和所有先前報道的低溫電池的測量值。

圖1. 可充電準固態(tài)Zn||E-Bi₂Se₃電池的電化學性能

研究表明，每個分子的E-Bi₂Se₃在25°C放電時最多可容納4個 Zn²⁺，在-20°C時可容納6個 Zn²⁺，同時晶胞參數(shù)也大大增加。不尋常的性能歸因于E-Bi₂Se₃的拓撲性質(zhì)改善了較低溫度下電池反應的動力學，本研究通過觀察到的較高電子電導率和較低溫度下拓撲E-Bi₂Se₃正極的良好離子擴散證實了這一點。

有趣的是，在將Zn²⁺嵌入E-Bi₂Se₃正極后，作者通過進行電化學測試、DFT計算和從頭算分子動力學（MD）模擬揭示了平凡金屬態(tài)對放電產(chǎn)物Zn_xBi₂Se₃的增強貢獻。作者相信，開發(fā)的拓撲絕緣體電極和在較低溫度下異常出色的電池性能將為生產(chǎn)可在寒冷氣候下長時間運行的電池提供機會，同時將從使用拓撲絕緣體作為電極的角度對低溫電池的研究產(chǎn)生啟發(fā)。

圖2. E-Bi₂Se₃正極在電化學循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)演變

Few-layer bismuth selenide cathode for low-temperature quasi-solid-state aqueous zinc metal batteries, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-28380-y

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