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武培怡/焦玉聰Adv. Sci.: 凝膠電解質(zhì)構(gòu)建（002）沉積晶面穩(wěn)定鋅負(fù)極

鋅（Zn）金屬負(fù)極已在水系鋅電池中得到廣泛研究。然而，枝晶形成問(wèn)題和連續(xù)的副反應(yīng)嚴(yán)重阻礙了鋅負(fù)極在高電流密度下的實(shí)際應(yīng)用。

在此，東華大學(xué)武培怡教授、焦玉聰研究員等人報(bào)道通過(guò)摻入兩性離子凝膠聚（3-（1-乙烯基-3-咪唑啉）丙磺酸鹽）（PVIPS）來(lái)設(shè)計(jì)具有多功能帶電基團(tuán)的凝膠電解質(zhì)（PZIB）可以有效地解決上述問(wèn)題。通過(guò)紫外誘導(dǎo)聚合，將VIPS聚合在細(xì)菌纖維素（BC）網(wǎng)絡(luò)中制備PZIB凝膠。研究表明，多兩性離子中大量的磺酸根和咪唑帶電基團(tuán)可以調(diào)節(jié)Zn²⁺的溶劑化結(jié)構(gòu)從而起到抑制鋅負(fù)極副反應(yīng)的作用。

此外，磺酸根和咪唑基團(tuán)可以使電場(chǎng)分布均勻并成功地織構(gòu)Zn²⁺均勻外延形成（002）晶面，以進(jìn)一步抑制枝晶的形成和副反應(yīng)。甚至，帶電基團(tuán)可以提高鋅鹽的解離率以改善Zn²⁺的傳輸，從而導(dǎo)致21.88 mS cm^-1的高離子電導(dǎo)率和0.74的Zn²⁺遷移數(shù)。

圖1. 鍍鋅/剝離性能的電化學(xué)表征

因此，在5 mA cm^-2的高電流密度和5 mA h cm^-2的面積容量下，PZIB凝膠電解質(zhì)增強(qiáng)對(duì)稱鋅電池可以穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)500小時(shí)，而具有液體電解質(zhì)的電池在短路前只能循環(huán)不到20小時(shí)。此外，在7.5 mA cm^-2的高密度下，對(duì)稱鋅電池的累積容量為3000 mA h cm^-2，超過(guò)了目前報(bào)道的大多數(shù)高電流密度的鋅電池。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，Zn/MnO₂全電池在5C下具有超過(guò)1000次的長(zhǎng)期循環(huán)壽命。柔性Zn/PZIB凝膠電解質(zhì)/MnO₂準(zhǔn)固態(tài)全電池在5 C倍率下不同彎曲角度均可提供高達(dá)120.6 mAh g^-1的容量，其安全性能也通過(guò)不同的破壞性實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。因此，該凝膠電解質(zhì)的設(shè)計(jì)將為安全、柔性和可穿戴的儲(chǔ)能設(shè)備提供有希望的可行性。

圖2. 柔性Zn/PZIB凝膠電解質(zhì)/MnO₂準(zhǔn)固態(tài)電池的電化學(xué)性能

Gel Electrolyte Constructing Zn (002) Deposition Crystal Plane Toward Highly Stable Zn Anode, Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202104832

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