12月1日，海洋科学与工程学院史晓东副教授所在团队在能源领域顶级期刊Advanced Energy Materials发表题为“Spatial Confinement Effect of Mineral-based Colloid Electrolyte Enables Stable Interface Reaction for Aqueous Zinc-Manganese Batteries”的研究论文。海南大学2021级博士研究生周传聪为论文第一作者，史晓东副教授和田新龙教授为论文共同通讯作者。
水系锌锰电池因其低成本、高工作电压和高能量密度而受到广泛关注。然而，锌锰电池在实际应用中受到诸多因素的限制，如在循环过程中，锌负极/电解质界面形成的锌枝晶，以及锰正极/电解质界面发生的不可逆锰溶解，这些问题严重降低了电池的循环寿命。根本原因在于，水系电解液中自由水分子和水合锌离子中的结构水分子均具有高反应活性，会持续诱导锌金属负极和锰基氧化物正极界面不可逆副反应的发生，导致锌枝晶和锰溶解等问题。
该工作以硅酸镁铝（MAS）矿物质盐为原料，利用其层状晶体结构、电子绝缘性和Zn2+/Mn2+离子导体等特性，与适量液态硫酸锌电解液充分混合，制备了适用于Zn//α-MnO2电池体系的无机胶体电解质。理论计算和实验结果表明，硅酸镁铝基无机胶体电解质的使用，大大降低了活性水分子含量，同时有效调控了锌离子溶剂化结构，降低了结构水分子含量，从而抑制了锌锰电池中锌枝晶生长和锰溶解等问题。基于硅酸镁铝无机胶体电解质组装的Zn//Zn对称电池在0.2 mA cm-2电流密度下，可稳定循环3500 h；相应的Zn//α-MnO2电池在0.2和0.5 A g-1电流密度下，能够分别表现出255.5和239.8 mAh g-1的高可逆比容量。如图1所示，优异的电化学性能可归因于硅酸镁铝对无机胶体电解质中活性水分子的空间约束效应，既重塑了锌离子的溶剂化结构，又促进了锌离子的可逆沉积/剥离，抑制了正极材料中活性锰溶解。该研究工作对于推动无机矿物质基固态/准固态电解质在锌基二次电池中的实际应用具有重要意义，能够促进水系锌锰电池的实用化进程。
图1 硅酸镁铝基无机胶体电解质对水系锌锰电池锌负极和α-MnO2正极作用机制示意图
该项工作得到了海南大学海洋科技协同创新中心项目（XTCX2022HYC14），国家自然科学基金（52404316，52461040，52274297，52164028和52474325），海南省院士创新平台（YSPTZX202315），海南省自然科学基金（524RC475）和海南大学科研启动基金（KYQD(ZR)-23069, 23169和21124）的支持。此外，该论文相关材料表征工作得到了海南大学皮米电镜中心的大力支持和帮助。
文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202405387
海南大学