祝方明课题组水系可充电锌电池研究进展

随着现代电子/光电/传感器技术的蓬勃发展，迫切要求开发具有优异储能性能、低成本、高安全性的先进能源器件。为此，水系可充电锌电池因其理论容量大(820 mAh g-1)、环境友好性强、锌的地球储量高、电解质水溶液的离子电导率高而成为研究热点。它们可以在安全性、成本和倍率性能方面提供额外的优势，以解决普遍使用有机电解质的锂电池的局限性。锌电池发展的关键是寻找匹配的阴极材料。在可用的有限资源中，聚苯胺(PANI)及其衍生物等聚合物因其制备简单、氧化还原可逆性好、稳定性高而成为锌二次电池的理想材料。与金属氧化物和有机化合物等其他替代品相比，它们具有更高的导电性。一般来说，锌阳极在pH<4时容易发生腐蚀，使用中性或微酸性电解质而不是碱性电解质对锌阳极的枝晶生长有抑制作用。然而，聚苯胺在较高的pH值(pH > 4)下的电活性较差，这一矛盾的pH要求限制了水溶液中锌-聚苯胺电池的电化学性能，尤其是在近中性介质中。另外，其他聚合物如聚吡咯(PPy)，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)，共价有机框架(COFs)也被用作潜在的阴极。尽管取得了一些进展，但现有的具有多种聚合物阴极的水相锌电池往往存在比容量有限(<300 mAh g-1)或循环稳定性不足的问题。因此，在温和电解质中开发高容量、长寿命的水性聚合物锌电池仍然是一个巨大的挑战。

为解决这一问题，祝方明课题组的谢秀丽同学通过祝方明和余丁山教授的指导，介绍了在单个两电极Zn电池中同时利用外部环境中的“空气”和光来实现显着改善的储能性能，快速自充电以及从Zn聚合物电池到Zn空气电池的可切换多模运行。在接近中性的介质（pH = 5）中具有出色的环境适应性，可用于电池的充电/重复使用。新开发的多功能电池是基于“一体化”阴极设计的，阴极由碳布（PANINA/CC）上排列的聚苯胺纳米棒阵列作为活性层、以及防水透气层和空气阻挡层组成，集可逆的氧化还原能力、氧还原催化活性和光热响应性于一体。这种设计不仅促进了电子和离子的转移以及大比例的表面/近表面反应，而且允许从环境“空气”和光中进行多种能量收集、能量转换和储存在一个阴极中的有效集成。因此，该系统可以作为一个集光的可充电锌-聚苯胺电池，具有显著的比容量为430.0 mAh g-1，超过了目前所有的锌电池聚合物阴极。即使没有任何外部电源，该系统也可以通过自发的氧化还原反应从环境空气中获取化学能，形成自充电的Zn -聚合物电池模式，仅在自充电20分钟后就可以产生了363.1 mAh g-1的高放电容量。另外，通过空气供应，该系统还可以切换到光响应的锌-空气电池模式，以克服锌-聚合物电池模式的输出容量限制，实现连续供电。这项研究为充分利用复杂的自然环境为下一代多功能集成能源系统提供了一个有吸引力的研究方向。该研究以题为“Harvesting Air and Light Energy via “All-in-One” Polymer Cathodes for High-Capacity, Self-Chargeable, and Multimode-Switching Zinc Batteries”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。