亲锌聚阴离子交联聚合物薄膜与铜刻蚀协同稳定锌负极

可充电水系锌基电池具有高容量、高能量密度、低氧化还原电位、低成本、安全性好等优点,被认为是一种可替代的能源存储器件.然而,在镀锌/剥离过程中,锌金属负极不可控的枝晶生长和复杂的副反应极大地降低了库伦效率,其可逆性较差,阻碍锌基电池的实际应用.在此,开发了一种简单、可控且有效的方法,首先利用电化学沉积法在锌箔上沉积了一种由聚苯乙烯磺酸钠(PSS)与氯化锌反应得到孔道丰富的聚阴离子交联聚合物薄膜(记为PZ,其中P代表PSS、Z代表ZnCl₂),然后再利用置换反应引入亲锌的化学惰性金属铜,得到亲锌聚阴离子交联聚合物与铜刻蚀保护层(记为PZC,其中C代表Cu).PZC@Zn具有丰富的磺酸根官能团促进[Zn(H₂O)₆]²⁺脱溶,提高Zn²⁺界面传输速率,排斥SO₄^2-与锌负极接触.通过重建铜刻蚀层,铜的高亲锌性促进了沉积动力学,铜的化学惰性抑制了副反应的发生.结果表明,在5 m A·cm^-2的高电流密度下, PZC@Zn...     

电解液对水系可充电池MnO2正极电化学性能的影响

研究了水系电解液中Li⁺、Zn²⁺和Mn²⁺阳离子对具有不同晶型结构和形貌的MnO₂正极电化学性能的影响,探讨其储能机理。结果表明,在不含Mn(II)离子的水溶液中,MnO₂电极所表现的电化学性能趋同,容量低,衰减快。含有Zn²⁺离子的水溶液中,MnO₂电极因二价锌离子的嵌入-脱出,容量明显提升,但衰减严重。当溶液中同时含有Zn²⁺、Mn²⁺离子时,基于Mn²⁺和Zn²⁺离子之间的协同作用和Mn²⁺离子氧化/还原反应过程的作用,有效抑制MnO₂颗粒的聚集和结构塌陷,削弱碱式硫酸锌杂质不利的影响,保持了锌离子在MnO₂电极中嵌入-脱出的高容量特性(200 mAh·g^-1,电流密度：100 mA·g^-1),及良好的循环稳定性。     

水系锌离子电池嵌入负极材料TiX2 (X = S,Se)的储锌机制

水系锌离子电池(ZIBs)以其低成本、高安全性和环境友好的优点受到了研究者的广泛关注，成为大规模电化学储能系统的理想选择之一。然而锌金属负极在应用时面临着锌枝晶生长、腐蚀反应和副反应等难以克服的障碍，严重制约了水系锌离子电池的发展。探索可替代锌金属的储锌负极是应对上述问题的有效策略，因此研究者围绕过渡金属氧化物、硫化物和导电聚合物开展了深入研究。以TiX₂ (X = S, Se)为代表的二维过渡金属硫族化合物(TMDs)具有较大的层间距和快速的离子传输通道，可作为锌离子电池的负极，但其储锌反应机制尚未得到完整的揭示。在本文中，我们使用密度泛函理论(DFT)计算方法系统地研究锌离子在TiX₂中的嵌入反应。首先我们采用群论去描述嵌锌TiX₂的稳定层间构型的特点，定义了一个依赖于超胞并且只涉及平移旋转两种对称操作的群，其子群可以用来描述层间构型的对称性，而且用来描述最稳定构型的子群总是倾向于有最大的阶数。基于该计算得到的一系列对应于不同放电深度的TiX₂的稳定结构，我们发现TiS₂和TiSe₂两种材料在锌嵌入/脱出过程中的开路电压(OCV)均低于0.5 V。态密度(DOS)的计算结果表明TiX₂具有很好的电子导电性，而分波态密度(PDOS)的结果显示随着锌的嵌入闭壳层的Ti⁴⁺还原成开壳层的Ti³⁺，并且伴随着Zn―X键的生成。Bader电荷分析的结果表明随着X的嵌入，X相比Ti得到了更多的负电荷，意味着X也参与了TiX₂的氧化还原过程。爬坡弹性带方法(CINEB)计算的结果证实了Zn²⁺在TiX₂中具有较低的扩散能垒(对于TiS₂是0.333 eV，对于TiSe₂是0.338 eV)。本文的研究结果不仅从本质上证明了TiX₂适合作为锌离子电池的嵌锌负极材料，而且为其他高性能TMDs电池材料的DFT研究提供了新的见解。     

水溶液法原位构建ZnO亲锂层稳定锂-石榴石电解质界面

固态电池以其高安全性和高能量密度而备受关注。石榴石型固体电解质(LLZO)由于具有较高的离子导电性和对锂金属的稳定性,在固态电池中具有应用前景,但陶瓷与锂金属较差的界面接触会导致高的界面阻抗和可能形成的枝晶穿透。我们利用LLZO表层独特的H⁺/Li⁺交换反应,提出了一种简便有效的金属盐类水溶液诱发策略,在电解质表面原位构建ZnO亲锂层,界面处LiZn合金化实现紧密连续的接触。引入改性层后,界面阻抗可显著降低至约10Ω·cm²,对称电池能够在0.1mA·cm^-2的电流密度下实现长达1000h的长循环稳定性。匹配正极LiFePO₄(LFP)或LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂(NCM523)的准固态电池在室温下能够稳定循环100次以上。     

水系锌离子电池锌负极保护策略

水系锌离子电池采用金属锌作为负极材料,具有绿色环保、安全等优势,有望用于大规模储能。锌金属的储量比锂更加丰富,也更容易开采与提纯。同时,锌具有较低的氧化还原电位(-0.76V vs SHE)和较高的理论比容量(820 mAh·g^-1)和体积容量密度(5 854 mAh·cm^-3)。由于充放电过程中存在锌枝晶和不可逆副产物(如H₂、ZnO、Zn₄(OH)₆SO₄)等问题,造成锌负极的库仑效率较低,严重缩短了电池的循环寿命,限制了其实际应用。本文针对锌负极在实际应用中遇到的困难与瓶颈,从微观层面分析了锌负极沉积/溶解的动力学与热力学机理,并从锌电极表面改性、锌片内部结构优化、电解液改性和新型隔膜等方面,介绍了锌负极保护的各种策略,并通过具体实例,分析了其制备方法和改性机理以及最终对电池性能的改善效果,为实用高效的锌负极保护方法提供了思路。最后,文章讨论了锌负极在商业化过程中面临的机遇和挑战,并对未来的研究前景和热点进行了展望。     

水系锌电池Se@Zn负极的制备及性能

采用原位化学反应策略,在Zn电极表面生长出Se单质,通过XRD、XPS、SEM和能谱表征,结果表明Se在Zn电极表面的成功合成,且Se在锌电极表面均匀分布。将Se@Zn电极和裸Zn电极分别组装为对称电池和以MnO₂为正极的全电池进行性能比较,结果表明,Se@Zn对称电池在1 mA/cm²下可以运行1000小时以上,并保持27 mV的极化电压。Se@Zn||MnO₂全电池在2 A/g电流密度下容量为136 mA·h/g,在1000次循环后,Se@Zn||MnO₂全电池仍接有近100%的库仑效率,容量保持率为88%。     

三维多孔铜和锌镀层协同构筑无枝晶锂金属电极

金属锂具有高理论比容量和低氧化还原电位, 被认为是高能量密度二次电池最理想的负极材料之一, 但其在循环过程中的枝晶生长和体积变化易造成电池失效和安全隐患. 以孔径为5 μm左右的自制三维多孔铜为基底, 在其表面电沉积锌层(3D Cu@Zn), 作为金属锂沉积的集流体, 构筑无枝晶锂金属电极. 三维多孔铜的孔结构稳定, 孔径大小适宜, 可有效降低局部电流密度和缓解体积变化. 锌镀层可降低锂金属的形核过电位, 诱导锂的均匀沉积, 有效抑制锂枝晶生长. 以3D Cu@Zn为集流体, 锂沉积面积容量为4 mAh•cm^–2, 电极表面仍无枝晶出现, 经过锂剥离后表面仍然光滑; 而铜箔上沉积的锂显示明显的枝晶和不均匀性, 3D Cu上沉积的锂显示局部不均匀性和一定量枝晶. 在电流密度为0.5和 1 mA•cm^–2, 面积容量为1 mAh•cm^–2条件下, Li||3D Cu@Zn半电池获得了稳定的库伦效率; 在2 mA•cm^–2的高电流密度和1 mAh•cm^–2的面积容量条件下, Li||3D Cu@Zn@Li对称电池可稳定循环700 h以上; 以3D Cu@Zn@Li为负极, LiFePO₄为正极的全电池, 在1 C倍率下, 经过150次循环后仍保持88 mAh•g^–1的容量, 均明显优于Cu片和3D Cu作为集流体的锂金属电极.     

“Water-in-salt”聚合物电解质制备及其电化学性能研究

为提高柔性锂离子电池安全性和循环稳定性能,本实验以自由基聚合结合冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜为电解质载体,引入21 mol·kg^-1 LiTFSI 高浓度电解液,得到“water-in-salt”聚合物电解质。通过聚合物膜的形貌和孔道结构表征,红外光谱分析,离子电导率及电化学稳定窗口测试等对其基本物化特性进行了研究。冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜内部具有大量微孔结构,有利于电解液的载入。将该吸附了电解液的聚合物电解质膜与锰酸锂(LiMn₂O₄)正极和磷酸钛锂(LiTi₂(PO₄)₃)负极组装全电池进行充放电性能测试。结果表明,制得的柔性聚合物电解质具有良好的拉伸性能,高离子电导率(20°C,4.34 mS·cm^-1)和宽电化学稳定窗口(3.12 V)。以“water-in-salt”聚合物电解质为隔膜组装的LiMn₂O₄||LiTi₂(PO₄)₃ 全电池表现出优异的倍率性能和长循环稳定性。     

LiNbO3负极薄膜电化学性能及全固态薄膜锂离子电池应用

全固态薄膜锂离子电池具有易微型化与集成化等优点,因此,非常适合为微系统供电。负极对全固态薄膜锂离子电池的性能有重要影响。现有电池通常采用金属锂作为负极,然而其枝晶生长问题及低的热稳定性限制了相应电池在工业、军事等高温、高安全场合应用。为此,本文系统研究了LiNbO₃薄膜的电化学性能,结果表明:LiNbO₃薄膜呈现高比容量(410.2 mAh·g^-1)、高倍率(30C时比容量80.9 mAh·g^-1)和长循环性能(2000圈循环后的容量保持率为100%),以及高的室温离子电导率(4.5×10^-8 S·cm^-1)。在此基础上,基于LiNbO3薄膜构建出全固态薄膜锂离子电池Pt|NCM523|LiPON|LiNbO₃|Pt,其展现出较高的面容量(16.3μAh·cm^-2)、良好的倍率(30μA·cm^-2下比容量1.9μAh·cm^-2)及长循环稳定性(300圈循环后的容量保持率...     

Nd2Fe14B/PANI磁粉的合成、表征及氧传递作用

经球磨和原位聚合法合成了Nd₂Fe₁₄B/PANI磁粉,采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、扫描电镜（SEM）、振动样品磁强计（VSM）对样品进行了表征,用电化学三电极体系和锌空电池考察了Nd₂Fe₁₄B/PANI材料在氧传递中的作用.结果表明:Nd₂Fe₁₄B/PANI是一维片状纳米材料,电导率0.54 S·cm^-1,内禀矫顽力和剩余磁化强度为149.57 kA·m^-1、20.27A·m²·kg^-1;Nd₂Fe₁₄B/PANI负载密度为0.40 mg·cm^-2时,磁性电极的双电层电容增大,传荷电阻减小,磁性锌空电池的极化电流较大;负载密度为3.60 mg·cm^-2时,磁性电极的双电层电容减小,传荷电阻增大,磁性锌空电池的极化电流较小.Nd₂Fe₁₄B/PANI负载密度小于0.89 mg·cm^-2时,微磁场促进氧的传质,提高锌空电池的放电性能;高于3.56 mg·cm^-2时,微磁场抑制氧的传质,降低锌空电池的放电性能;Nd₂Fe₁₄B/PANI中的PANI提高锌空电池的放电性能.     

Zn对Pt/SAPO-11催化剂物化及异构性能影响

通过浸渍法制备了Pt/SAPO-11催化剂, 分步浸渍法制备了Zn-Pt/SAPO-11双金属催化剂. 通过X射线衍射、低温氮物理吸附、氨程序升温脱附和吡啶吸附红外等手段对所得样品进行了表征. 实验结果表明, 助剂Zn的引入导致了催化剂的比表面积和孔容降低, B酸量减少而L酸量增加, 总酸量有所增加. 在300～380 ℃范围内对正庚烷的临氢异构化反应考察发现, 引入金属助剂Zn可以明显改变正庚烷的转化率, 而对C₇异构体的选择性影响不明显. 当Zn质量分数为0.2%, Pt质量分数为0.2%时, Zn-Pt/SAPO-11催化剂的正庚烷转化率及C₇异构体收率达到最大值; Zn含量继续增加时, 正庚烷转化率及C₇异构体收率均随之下降. 实验结果表明, 双功能催化剂中金属功能与酸性功能的匹配对正庚烷临氢异构化反应非常重要.     

Guiding Zn Uniform Deposition with Polymer Additives for Long-lasting and Highly Utilized Zn Metal Anodes

The parasitic side reaction on Zn anode is the key issue which hinders the development of aqueous Zn-based energy storage systems on power-grid applications. Here, a polymer additive (PMCNA) engineered by copolymerizing 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC) and N-acryloyl glycinamide (NAGA) was employed to regulate the Zn deposition environment for satisfying side reaction inhibition performance during long-term cycling with high Zn utilization. The PMCNA can preferentially adsorb on Zn metal surface to form a uniform protective layer for effective water molecule repelling and side reaction resistance. In addition, the PMCNA can guide Zn nucleation and deposition along 002 plane for further side reaction and dendrite suppression. Consequently, the PMCNA additive can enable the Zn//Zn battery with an ultrahigh depth of discharge (DOD) of 90.0 % for over 420 h, the Zn//active carbon (AC) capacitor with long cycling lifespan, and the Zn//PANI battery with Zn utilization of 51.3 % at low N/P ratio of 2.6.     

微波消解-催化动力学光度法测定人发中的锌

研究了微波消解人发的最佳条件,此方法省时、节约试剂、消解完全、减小污染。同时研究了HNO3介质中Zn2+催化H2O2氧化甲基紫褪色反应的适宜条件与影响因素,建立了动力学光度法测定痕量Zn2+的新方法。本法检出限为1.54×10-11g/L,线性范围为0~60μg/L。用于测定人发中的锌。     

可充锌电池电解(质)液调控策略

高安全、低成本、长寿命的大规模储能新技术的突破事关未来能源结构调整以及智能电网建设。可充锌电池由于其安全性高、环境友好、成本低等优势而成为将来储能系统的重要选择。然而,常规水系电解液的应用通常导致正极活性物质溶解、水溶剂分解、锌负极腐蚀、枝晶等问题。因此,本文对水系电解质（液）体系导致的问题及相应的调控方案进行了讨论与总结。主要从电解质（液）改性角度分析了通过调控组成成分、浓度、添加剂等变量以达到改变自由水含量和锌离子溶剂化结构的目的。另外,对可充电锌电池这一新兴技术实现应用所面临的挑战进行了总结与展望。     

Pulse plating effect on microstructure and corrosion properties of Zn–Ni alloy coatings

The influence of pulse plating parameters on the surface morphology, grain size, lattice imperfection and corrosion properties of Zn–Ni alloy has been studied. The coatings were electrodeposited in an alkaline cyanide-free solution. AFM was applied for surface morphology examination, XRD measurements were carried out for phase composition and texture analysis, electron probe microanalysis was used for alloy chemical composition studies, while electrochemical techniques were applied for corrosion performance evaluation. The pulse plated Zn–Ni coatings appeared to consist of the γ-Zn₂₁Ni₅ phase and the composition of the alloy depended on the plating parameters. The grain size, lattice imperfection and homogeneity of grain distribution were established to be the main factors determining corrosion behaviour of the coating. Presented at the 4th Baltic Conference on Electrochemistry, Greifswald, March 13–16, 2005     

交联壳聚糖树脂与Zn2+的配位作用

研究了甲醛、环氧氯丙烷交联壳聚糖树脂(Chitosan crosslinked by aldehyde and epichlorohydrin,AECTS)吸附Zn2 后对树脂结构及性能所产生的影响.用FTIR、XRD、TG、DsC和SEM对吸附产物进行了结构表征,并深入分析了AECTS与Zn2 之间的作用机理.结果表明,Zn2 与AECTS中的氨基发生配位而被吸附;AECTS吸附Zn2 后,结晶度下降、总体上热稳定性变差:Zn2 对AECTS的主链分解具有明显的催化功能;Zn2 的配位使得AECTS的表面形态发生了改变.     

交联壳聚糖树脂与Zn2+的配位作用

研究了甲醛、环氧氯丙烷交联壳聚糖树脂(Chitosan crosslinked by aldehyde and epichlorohydrin,AECTS)吸附Zn2 后对树脂结构及性能所产生的影响.用FTIR、XRD、TG、DSC和SEM对吸附产物进行了结构表征,并分析了AECTS与Zn2 之间的作用机理.结果表明,Zn2 与AECTS中的氨基发生配位而被吸附;AECTS吸附Zn2 后,结晶度下降、总体上热稳定性变差;Zn2 对AECTS的主链分解具有明显的催化功能;Zn2 的配位使得AECTS的表面形态发生了改变.     

L-半胱氨酸自组装膜电极上锌离子的电化学行为及分析应用

锌是人体必需的微量元素 ,也是金属酶的组成部分和酶的激活剂 ,目前已知有 80多种酶的活性与锌的存在有关 ,因此研究锌在生物分子 (如Ｌ 半胱胺酸 )自组装膜结构中的电化学行为 ,对于研究和了解生物体内生命物质的电子转移及生命现象的本质具有重要意义。本文研究Ｚｎ2 +在Ｌ 半胱氨酸自组装修饰金电极[1～3] ,Ｃｙｓ/ＳＡＭ/Ａｕ上的电化学行为 ,建立了测定Ｚｎ2 +浓度的新方法 ,用于人体发样中痕量Ｚｎ2 +的测定 ,与目前所报道的锌的测定方法[4] 相比 ,具有快速、准确、灵敏度高等特点。1　实验部分1 1　仪器与试剂ＣＨＩ660型电化学工作…     

非聚集态、聚集态β-淀粉样蛋白(10-21)和外向钾通道的相互作用

金属离子诱导的Aβ聚集是阿尔兹海默病发病机理中的一个关键因素, Zn²⁺是唯一能够在生理pH条件下诱导Aβ聚集的过渡金属离子, 弄清Zn²⁺诱导的Aβ聚集对神经细胞的毒害作用是深入了解Aβ作用机理的关键. 选取Aβ(10-21)为模型片断, 以海马CA1区锥形细胞为研究对象, 首次采用光谱法和膜片钳技术相结合的方法, 从细胞层次对Zn²⁺, Aβ, 离子通道三者的相互关系进行了初步研究, 阐述了两种状态 (非聚集态、聚集态) 的Ab (10-21)对海马细胞外向钾通道三种过程(激活过程、失活过程、复活过程)的影响以及作用方式, 从通道水平说明了Aβ对神经细胞毒害作用的分子机理. 以上结果对深入了解Aβ致病机理及新型靶向性药物的开发具有重要意义.     

Effect of Zn2+ Ions on Upconversion Emission of Er3+ in Zn/Er:LiNbO3 Crystal

The effect of Zn2+ ions codoped on the upconversion emission of Er3+ ions in Er:LiNbO3 crystal under different excitation wavelength was reported.The upconversion emission spectra of Zn/Er:LiNbO3 follo...