DOI: https://doi.org/10.1039/d4ee02772h
تاريخ النشر: 2024-11-12
المؤلف: Shaojie Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد وتصنيع المكثفات الفائقة
نظرة عامة
تقدم هذه البحث إلكتروليت هيدروجيل مضاد للتجمد جديد، معزز بإدخال 1,2-بروبانديول (1,2-PG) كعامل مساعد، مما يحسن بشكل كبير من أداء بطاريات الزنك (ZBs). يسمح هذا النهج بالتلاعب الدقيق في التفاعلات بين الجزيئات داخل شبكة الهيدروجيل، مما يحسن من هيكل الإذابة لأيونات الزنك ويعزز من حركة سلاسل البوليمر. يظهر الهيدروجيل الناتج موصلية أيونية عالية، ونقطة تجمد منخفضة، واستقرار ملحوظ، مما يؤدي إلى تحسين كينتيك التفاعل وقابلية عكس عمليات الطلاء/إزالة الطلاء بالزنك عبر نطاق واسع من درجات الحرارة.
تظهر النتائج التجريبية أن إلكتروليت الهيدروجيل يمكن أن يتحمل أداءً فائق السرعة، حيث يستمر لمدة 280 ساعة عند 100 مللي أمبير سم$^{-2}$ و1 مللي أمبير ساعة سم$^{-2}$، وأكثر من 2160 ساعة عند 10 مللي أمبير سم$^{-2}$ و1 مللي أمبير ساعة سم$^{-2}$. ومن الجدير بالذكر أنه يحافظ على الأداء عند -30 °م، مع 2238 ساعة عند 1 مللي أمبير سم$^{-2}$ و1 مللي أمبير ساعة سم$^{-2}$. عند دمجه مع كاثودات هيدروكسيد أكسيد الفاناديوم (VOH)، يظهر الإلكتروليت انخفاضًا طفيفًا في السعة على مدى 6500 دورة عند -30 °م، محتفظًا بسعة قدرها 86 مللي أمبير ساعة غرام$^{-1}$. بالإضافة إلى ذلك، تظهر المكثفات التي تستخدم أيونات الزنك باستخدام هذا الهيدروجيل أكثر من 65,000 دورة تشغيل بسعة محددة قدرها 212 فائق غرام$^{-1}$، مما يظهر إمكانات كبيرة للأجهزة القابلة لإعادة الشحن المعتمدة على الزنك.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة المتزايدة لبطاريات مرنة قابلة لإعادة الشحن متقدمة، وخاصة بطاريات أيونات الزنك المائية (AZIBs) مع إلكتروليتات هيدروجيل، بسبب سلامتها وصداقة البيئة ومرونتها الميكانيكية. تظهر إلكتروليتات الهيدروجيل، المكونة من شبكات بوليمر هيدروفيلية مترابطة، موصلية أيونية مثيرة للإعجاب (تتراوح من $10^{-3}$ إلى $10^{-1}$ S سم$^{-1}$). ومع ذلك، يمكن أن تؤدي وجود المياه غير المرتبطة إلى التجمد عند درجات حرارة منخفضة، مما يضر بالموصلية الأيونية ويسبب تفاعلات ضارة عند واجهة الإلكتروليت/القطب. وبالتالي، فإن تحقيق توازن بين تحمل التجمد والموصلية الأيونية أمر حاسم لتطوير AZIBs عالية الأداء.
يتم استخدام بولي أكريلاميد (PAM) بشكل متكرر في AZIBs بسبب قوته الميكانيكية وهيدروفيلتيه، لكن فعاليته محدودة بسبب مقاومته الضعيفة للتجمد. تناقش الورقة استراتيجيات مختلفة لتعزيز خصائص مقاومة التجمد لـ PAM، بما في ذلك إدخال الأملاح والمذيبات الجزيئية الصغيرة مثل الجلسرين والإيثيلين جلايكول، التي يمكن أن تعطل شبكات الروابط الهيدروجينية وتقلل من اللزوجة. يقدم المؤلفون إلكتروليت هيدروجيلي بوليمري جديد، PPZHE، يجمع بين PAM و1,2-بروبلين جلايكول وZn(OTf)$_2$. تهدف هذه التركيبة إلى تنظيم شبكة الروابط الهيدروجينية، مما يحسن من قدرات مقاومة التجمد والموصلية الأيونية. يظهر الهيدروجيل الناتج أداءً ممتازًا تحت ظروف قاسية، محافظًا على الاستقرار والوظائف عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى -30 °م، مما يمهد الطريق لتحسين قدرات الشحن السريع والدورات في أجهزة تخزين الطاقة المعتمدة على الزنك.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة التأثير الكبير للمجموعات الطرفية والوظيفية في مذيبات الإلكتروليت على أداء إلكتروليتات الهيدروجيل، مع التركيز بشكل خاص على مشتقات الكحول البروبيلي. كشفت تحليل الجلسرين (Gly) و1,3-بروبلين جلايكول (1,3-PG) و1,2-بروبلين جلايكول (1,2-PG) أن 1,2-PG أظهرت أضعف التفاعلات بين الجزيئات، مما أدى إلى تحسين الموصلية الأيونية لإلكتروليتات الهيدروجيل، مع قياسات موصلية قدرها 14.7 و19.1 و27.9 مللي سيمنز سم$^{-1}$ لـ Gly و1,3-PG و1,2-PG، على التوالي. تم تأكيد بلمرة الأكريلاميد في خلطات المذيبات المختلفة من خلال مطيافية رامان في الموقع وتحليل الأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه (FTIR)، مما يدل على التكوين الناجح لهيدروجيل بولي أكريلاميد (PAM). ومن الجدير بالذكر أن إدخال 1,2-PG لم يحسن فقط من الموصلية الأيونية ولكن أيضًا عزز من الخصائص الميكانيكية وقدرات مقاومة التجمد للهيدروجيل، كما يتضح من قياسات المسح الحراري التفاضلي (DSC) واختبارات الشد.
علاوة على ذلك، سلطت التقييمات الكهروكيميائية الضوء على الأداء المتفوق لإلكتروليت الهيدروجيل المعتمد على 1,2-PG (PPZHE) في بطاريات أيونات الزنك (ZIBs). أظهر PPZHE مقاومة نقل شحن أقل وطاقة تنشيط أقل لرسوب الزنك مقارنةً بالهيدروجيل الضابط (PZHE)، مما أدى إلى تحسين استقرار الدورة وكفاءتها. حافظ PPZHE على كفاءة كولومبية عالية وأداء مستقر على مدى دورات طويلة، حتى تحت ظروف قاسية مثل درجات الحرارة المنخفضة وكثافات التيار العالية. تختتم الدراسة بأن الخصائص الفريدة لـ 1,2-PG تسهل النقل السريع للشحن ورسو الزنك بشكل موحد، مما يجعل PPZHE مرشحًا واعدًا للتطبيقات العملية في الأجهزة الإلكترونية المرنة والقابلة للارتداء.
المناقشة
في هذه الدراسة، قدمنا إلكتروليت هيدروجيل جديد يستخدم 1,2-بروبانديول (1,2-PG) كعامل مساعد، مما يعزز بشكل كبير من أداء بطاريات أيونات الزنك (ZBs). يسهل إدخال 1,2-PG التلاعب الدقيق في التفاعلات بين الجزيئات داخل شبكة الهيدروجيل، مما يحسن من هيكل الإذابة لأيونات الزنك ويعزز من حركة سلاسل البوليمر. يؤدي ذلك إلى موصلية أيونية عالية، ونقطة تجمد منخفضة، واستقرار استثنائي. تؤكد محاكاة الديناميات الجزيئية والتحليلات في الموقع السيطرة الفعالة على الهيكل المذاب وتوجيه رسوب الزنك، مما يؤدي إلى تحسين كينتيك التفاعل وقابلية عكس عمليات الطلاء/إزالة الطلاء بالزنك.
يظهر إلكتروليت الهيدروجيل مقاييس أداء ملحوظة، بما في ذلك التشغيل المستمر لمدة 280 ساعة عند 100 مللي أمبير سم$^{-2}$ و1 مللي أمبير ساعة سم$^{-2}$، وأكثر من 2160 ساعة عند 10 مللي أمبير سم$^{-2}$ و1 مللي أمبير ساعة سم$^{-2}$. ومن الجدير بالذكر أنه يحافظ على الوظائف عند -30 °م، مع 2238 ساعة عند 1 مللي أمبير سم$^{-2}$ و1 مللي أمبير ساعة سم$^{-2}$. عند اقترانه بكاثودات VOH، يظهر إلكتروليت الهيدروجيل انخفاضًا طفيفًا في السعة على مدى 6500 دورة عند درجات حرارة منخفضة، محتفظًا بسعة قدرها 86 مللي أمبير ساعة غرام$^{-1}$. بالإضافة إلى ذلك، تحقق المكثفات التي تستخدم هذا الإلكتروليت أكثر من 65,000 دورة بسعة محددة قدرها 212 فائق غرام$^{-1}$. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانات هذا الإلكتروليت الهيدروجيلي في تعزيز أنظمة تخزين الطاقة القابلة لإعادة الشحن المعتمدة على الزنك.
DOI: https://doi.org/10.1039/d4ee02772h
Publication Date: 2024-11-12
Author(s): Shaojie Guo et al.
Primary Topic: Supercapacitor Materials and Fabrication
Overview
The research presents a novel anti-freezing hydrogel electrolyte, enhanced by the incorporation of 1,2-propanediol (1,2-PG) as a co-solvent, which significantly improves the performance of zinc batteries (ZBs). This approach allows for precise manipulation of intermolecular interactions within the hydrogel network, optimizing the solvation structure of zinc ions and enhancing polymer chain mobility. The resulting hydrogel exhibits high ionic conductivity, a lowered freezing point, and remarkable stability, leading to improved reaction kinetics and reversibility of zinc plating/stripping processes across a wide temperature range.
Experimental results demonstrate that the hydrogel electrolyte can sustain ultrahigh rate performance, enduring 280 hours at 100 mA cm$^{-2}$ and 1 mA h cm$^{-2}$, and over 2160 hours at 10 mA cm$^{-2}$ and 1 mA h cm$^{-2}$. Notably, it maintains performance at -30 °C, with 2238 hours at 1 mA cm$^{-2}$ and 1 mA h cm$^{-2}$. When integrated with vanadium oxide hydroxide (VOH) cathodes, the electrolyte shows negligible capacity decay over 6500 cycles at -30 °C, retaining a capacity of 86 mA h g$^{-1}$. Additionally, zinc-ion capacitors utilizing this hydrogel exhibit over 65,000 cycles of operation with a specific capacity of 212 F g$^{-1}$, demonstrating significant potential for advanced Zn-based rechargeable devices.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing need for advanced rechargeable flexible batteries, particularly aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) with hydrogel electrolytes, due to their safety, environmental friendliness, and mechanical flexibility. Hydrogel electrolytes, composed of cross-linked hydrophilic polymer networks, exhibit impressive ionic conductivity (ranging from $10^{-3}$ to $10^{-1}$ S cm$^{-1}$). However, the presence of non-bound water can lead to freezing at low temperatures, compromising ionic conductivity and causing detrimental interactions at the electrolyte/electrode interface. Thus, achieving a balance between freezing tolerance and ionic conductivity is critical for the development of high-performance AZIBs.
Polyacrylamide (PAM) is frequently used in AZIBs due to its mechanical strength and hydrophilicity, but its effectiveness is limited by poor freezing resistance. The paper discusses various strategies to enhance the anti-freezing properties of PAM, including the incorporation of salts and small-molecule solvents like glycerol and ethylene glycol, which can disrupt hydrogen bonding networks and reduce viscosity. The authors introduce a novel polymeric gel electrolyte, PPZHE, which combines PAM, 1,2-propylene glycol, and Zn(OTf)$_2$. This formulation aims to regulate the hydrogen bond network, improving anti-freezing capabilities and ionic conductivity. The resulting hydrogel exhibits excellent performance under extreme conditions, maintaining stability and functionality at temperatures as low as -30 °C, thus paving the way for enhanced fast charging and cycling capabilities in zinc-based energy storage devices.
Results
The results of this study demonstrate the significant impact of terminal and functional groups in electrolyte solvents on the performance of hydrogel electrolytes, particularly focusing on propyl alcohol derivatives. The analysis of glycerin (Gly), 1,3-propylene glycol (1,3-PG), and 1,2-propylene glycol (1,2-PG) revealed that 1,2-PG exhibited the weakest intermolecular interactions, leading to enhanced ionic conductivity of the hydrogel electrolytes, with measured conductivities of 14.7, 19.1, and 27.9 mS cm$^{-1}$ for Gly, 1,3-PG, and 1,2-PG, respectively. The polymerization of acrylamide in various solvent mixtures was confirmed through in-situ Raman spectroscopy and Fourier-transform infrared (FTIR) analysis, indicating successful formation of polyacrylamide (PAM) hydrogels. Notably, the introduction of 1,2-PG not only improved ionic conductivity but also enhanced the mechanical properties and anti-freezing capabilities of the hydrogel, as evidenced by differential scanning calorimetry (DSC) and tensile tests.
Furthermore, electrochemical assessments highlighted the superior performance of the 1,2-PG-based hydrogel electrolyte (PPZHE) in zinc-ion batteries (ZIBs). The PPZHE demonstrated lower charge transfer resistance and activation energy for Zn deposition compared to the control hydrogel (PZHE), leading to improved cycling stability and efficiency. The PPZHE maintained high coulombic efficiency and stable performance over extended cycles, even under extreme conditions such as low temperatures and high current densities. The study concludes that the unique properties of 1,2-PG facilitate rapid charge transport and uniform zinc deposition, making PPZHE a promising candidate for practical applications in flexible and wearable electronic devices.
Discussion
In this study, we introduced a novel hydrogel electrolyte utilizing 1,2-propanediol (1,2-PG) as a co-solvent, which significantly enhances the performance of zinc-ion batteries (ZBs). The incorporation of 1,2-PG facilitates the precise manipulation of intermolecular interactions within the gel network, optimizing the solvation structure of Zn ions and improving polymer chain mobility. This results in high ionic conductivity, a reduced freezing point, and exceptional stability. Molecular dynamics simulations and in-situ analyses confirm the effective control of the solvated structure and the guidance of Zn deposition, leading to improved reaction kinetics and reversibility in Zn plating/stripping processes.
The hydrogel electrolyte demonstrates remarkable performance metrics, including sustained operation for 280 hours at 100 mA cm$^{-2}$ and 1 mA h cm$^{-2}$, and over 2160 hours at 10 mA cm$^{-2}$ and 1 mA h cm$^{-2}$. Notably, it maintains functionality at -30 °C, with 2238 hours at 1 mA cm$^{-2}$ and 1 mA h cm$^{-2}$. When paired with VOH cathodes, the gel electrolyte exhibits negligible capacity decay over 6500 cycles at low temperatures, retaining a capacity of 86 mA h g$^{-1}$. Additionally, zinc-ion capacitors using this electrolyte achieve over 65,000 cycles with a specific capacity of 212 F g$^{-1}$. These findings highlight the potential of this hydrogel electrolyte in advancing Zn-based rechargeable energy storage systems.