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黃云輝/秦家千/張新宇EES: 無枝晶/副反應鋅電池中Zn2+溶劑化的結構調(diào)控

高安全性和低成本的水系鋅離子電池（ZIBs）是一種有前景的電網(wǎng)級儲能技術，而鋅負極的腐蝕、析氫反應和枝晶生長阻礙了其進一步發(fā)展，這些都源于電解液中Zn²⁺溶劑化結構的活性水分子分解。

在此，華中科技大學黃云輝教授、泰國朱拉隆功大學秦家千研究員及燕山大學張新宇教授等人從調(diào)節(jié)電解液中Zn²⁺溶劑化結構的角度總結了無枝晶和抑制副反應的鋅金屬負極的策略。正如所證明的，鋅負極上發(fā)生的所有副反應和枝晶問題都涉及Zn²⁺和H₂O分子之間的強相互作用。因此，開發(fā)一些策略來改變Zn²⁺和H₂O分子的相互作用并調(diào)節(jié)Zn²⁺的溶劑化結構非常重要。

根據(jù)不同的電化學機理，作者將各種溶劑化結構調(diào)節(jié)策略分為以下幾類：高濃電解液、深共晶溶劑、離子液體、功能添加劑、固態(tài)電解質(zhì)和過飽和電解液。此外，作者詳細分析了弱化Zn²⁺溶劑化效應、交替[Zn(H₂O)₆]²⁺溶劑化殼層中的H₂O分子、促進去溶化動力學、在鋅負極表面建立貧水鈍化層等具體策略的作用。

圖1. Zn²⁺溶劑化過程和鋅負極與電解液之間相應的界面相互作用

盡管上述策略對Zn²⁺的溶劑化結構產(chǎn)生了巨大影響，但目前對ZIBs電解液工程的研究仍處于起步和實驗室階段。

最后，作者展望了對鋅離子溶劑化結構的電解液工程的進一步發(fā)展：

（1）系統(tǒng)地表征鋅離子的溶劑化結構，包括NMR、（原位）拉曼光譜、FTIR、XAFS光譜、EXAFS光譜以及DFT/MD理論計算；

（2）促進去溶劑化過程，開發(fā)能夠調(diào)整Zn²⁺的溶劑化結構并促進去溶劑化過程的電解液添加劑；

（3）開發(fā)新的基于深共晶溶劑和離子液體的電解液系統(tǒng)；

（4）設計功能更全面、效果更好的電解液添加劑；

（5）開發(fā)先進的全/準固態(tài)電解質(zhì)；

（6）研究電解液或電解液添加劑對正極材料電化學性能的影響。

圖2. Zn²⁺溶劑化結構調(diào)控未來研究的示意圖

Strategies on regulating Zn²⁺ solvation structure for dendrites-free and side reactions-suppressed zinc-ion batteries, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE03377H

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