DOI: https://doi.org/10.1039/d4ee00318g
تاريخ النشر: 2024-01-01
المؤلف: Zimin Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: البحوث حول تقنيات البطاريات المتقدمة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في استخدام حمض 3-(هيدروكسي(فينيل)فوسفات) (HPA) كمضاف إلكتروليتي لتحسين أداء بطاريات أيونات الزنك المائية (AZIBs). تكشف الدراسة أن HPA يشكل شبكة جزيئية ميكروية كروية تثبت تدفق الأيونات من خلال تسهيل الامتصاص الاتجاهي ونقل أيونات Zn²⁺. يؤدي هذا التفاعل إلى تشكيل واجهة إلكتروليت صلبة هجينة عضوية-غير عضوية (SEI) على سطح الزنك، مما يحسن من كينتيك نقل الشحن ويخفف من التدهور السطحي. تظهر النتائج كفاءة استثنائية متوسطة لتغطية/إزالة الزنك تبلغ 99.91% على مدى 2100 دورة عند كثافة تيار تبلغ 4 مللي أمبير سم⁻²، إلى جانب قابلية عكس ملحوظة عند 120 مللي أمبير سم⁻².
تشير النتائج أيضًا إلى أن الكفاءة الكولومبية الأولية لخلية Zn//Cu بعد 7 أيام من الشيخوخة قد تحسنت بشكل كبير إلى 71.74% مع HPA، مقارنة بـ 42.59% بدونها. بالإضافة إلى ذلك، تظهر خلية Zn//MnO₂ احتفاظًا بالسعة بنسبة 80% بعد 1100 دورة عند 2 أ ج⁻¹، متفوقة على الخلية الخالية من HPA، التي تحتفظ فقط بـ 37%. تقدم هذه الدراسة رؤى حاسمة حول تنظيم الشبكة الجزيئية للإلكتروليتات المائية والديناميات السطحية، مما يشير إلى مسار واعد لتعزيز استقرار وكفاءة بطاريات الزنك المعدنية وربما أنودات معدنية أخرى.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لتقنيات تخزين الطاقة على نطاق الشبكة لدعم الاعتماد المتزايد على مصادر الطاقة المتجددة، خاصة بالنظر إلى طبيعتها المتقطعة. تظهر بطاريات أيونات الزنك المائية (AZIBs) كحل واعد نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة، وسلامتها، وفوائدها البيئية. ومع ذلك، فإن التحديات مثل تآكل أنود الزنك، والمنتجات الجانبية غير القابلة للعكس، والنمو الشجيري تعيق جدواها التجارية، مما يؤدي إلى تقليل عمرها الافتراضي وانخفاض الكفاءة الكولومبية (CE). تتفاقم هذه المشكلات بسبب التفاعلات الجانبية، خاصة خلال فترات عدم النشاط، مما يضر بالمادة النشطة والإلكتروليت، مما يؤثر في النهاية على الأداء وفعالية تكاليف أنظمة تخزين الطاقة.
لمعالجة هذه التحديات، تناقش الورقة استراتيجيات مختلفة لتعزيز عملية تغطية/إزالة الزنك من خلال تعديلات الإلكتروليت والقطب. من الجدير بالذكر أن إدخال المضافات الأمفيلية مقترح كوسيلة لتحسين كينتيك نقل الشحن واستقرار أنود الزنك. تركز الدراسة على استخدام حمض 3-(هيدروكسي(فينيل)فوسفات) (HPA) كمضاف إلكتروليتي أمفيلي أيوني، والذي يشكل شبكة جزيئية ميكروية كروية تسهل نقل Zn²⁺ السريع وتشكيل واجهة إلكتروليت صلبة هجينة غير عضوية-عضوية (SEI). تظهر النتائج أن الإلكتروليت المعدل بـ HPA يحقق كفاءة تغطية/إزالة زنك متوسطة مثيرة للإعجاب تبلغ 99.91% على مدى 2100 دورة عند كثافة تيار تبلغ 4 مللي أمبير سم⁻²، إلى جانب تحسين أداء الدورة واحتفاظ السعة مقارنة بالخلايا بدون المضاف.
النتائج
تشير النتائج إلى أن HPA (حمض الفوسفوريك الهيدروجيني) يعمل كمضاف فعال في الإلكتروليتات المائية لبطاريات الزنك، مما يعزز أدائها الكهروكيميائي. تم صياغة سلسلة من الإلكتروليتات مع تركيزات متغيرة من HPA (من 1 مللي مول إلى 15 مللي مول) إلى جانب 2M Zn(OTf)2. أدى إضافة HPA إلى انخفاض تدريجي في كل من الرقم الهيدروجيني والموصلية الأيونية، المنسوبة إلى تفكك أيونات الهيدروجين من HPA. من الجدير بالذكر أن الإلكتروليت الذي يحتوي على 10 مللي مول HPA (HPA10) أظهر أعلى كفاءة كولومبية (CE) وأطول استقرار دوري خلال اختبارات تغطية/إزالة الزنك، مما يدل على تحسين استقرار التيار وتوزيع الزنك بشكل موحد مقارنة بالإلكتروليت الضابط (BE).
أكدت اختبارات إضافية على خلايا الكيس التأثيرات المفيدة لـ HPA، حيث حافظت HPA10 على CE وحياة دورة متفوقة خلال اختبارات الزنك-النحاس عند كثافات تيار محددة. كما تم تعزيز أداء مقاومة التآكل لأنودات الزنك بشكل كبير في الإلكتروليتات التي تحتوي على HPA، كما يتضح من انخفاض كثافة تيار التآكل وإمكانية بدء منخفضة لتطور الهيدروجين مقارنة بـ Zn(OTf)2 النقي. بالإضافة إلى ذلك، كشفت تحليلات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) عن تحول في إشارة الهيدروجين، مما يشير إلى زيادة في إزالة درع البروتون وتشكيل روابط هيدروجينية بين HPA والماء، مما يساهم على الأرجح في تقليل تحلل الماء عند واجهة القطب. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على إمكانيات HPA كمضاف مثبت في أنظمة بطاريات الزنك التجارية.
المناقشة
في هذه الدراسة، يعزز المضاف الجديد HPA، الذي يتميز بوجود مجموعات قطبية متعددة، بشكل كبير من أداء وطول عمر بطاريات أيونات الزنك المائية (AZIBs). تكشف النتائج أن قدرة HPA القوية على التنسيق مع أيونات Zn²⁺ وامتصاصه التفضيلي على أنودات الزنك تسهل نقل Zn²⁺ السريع، مما يؤدي إلى تحسين كينتيك التغطية والإزالة. تعزز تجمعات HPA إطلاق Zn²⁺ بشكل موحد إلى سطح القطب، مما يقلل بشكل فعال من تكوين الشجيرات ويعزز الاستقرار الدوري العام. من الجدير بالذكر أن كفاءة تغطية/إزالة الزنك وصلت إلى متوسط استثنائي يبلغ 99.91% على مدى 2100 دورة عند كثافة تيار تبلغ 4 مللي أمبير سم⁻²، بينما أظهرت أيضًا أداءً متفوقًا عند كثافات تيار عالية تصل إلى 120 مللي أمبير سم⁻².
تسلط الدراسة الضوء أيضًا على خصائص مقاومة الشيخوخة للإلكتروليت المعدل بـ HPA، مع كفاءة كولومبية (CE) تبلغ 71.74% بعد 7 أيام من الشيخوخة التقويمية، مقارنة بـ 42.59% فقط للخلية الخالية من HPA. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت خلايا Zn//MnO₂ الكاملة التي تحتوي على HPA احتفاظًا بالسعة بنسبة 80% بعد 1100 دورة عند 2 أ ج⁻¹، متفوقة بشكل كبير على الخلية الضابطة، التي احتفظت فقط بـ 37%. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات HPA في تعديل الشبكات الجزيئية للإلكتروليتات والديناميات السطحية، مما يمهد الطريق لتطوير بطاريات زنك معدنية أكثر كفاءة وديمومة قابلة للتطبيق على أنودات معدنية أخرى.
DOI: https://doi.org/10.1039/d4ee00318g
Publication Date: 2024-01-01
Author(s): Zimin Yang et al.
Primary Topic: Advanced battery technologies research
Overview
This research investigates the use of 3-(hydroxy(phenyl)phosphoryl)propanoic acid (HPA) as an electrolyte additive to enhance the performance of aqueous zinc-ion batteries (AZIBs). The study reveals that HPA forms a spherical micellar molecular network that stabilizes ion flow by facilitating the directional adsorption and transfer of Zn²⁺ ions. This interaction leads to the formation of an organic-inorganic hybrid solid electrolyte interphase (SEI) on the zinc surface, which improves charge transfer kinetics and mitigates interfacial degradation. The results demonstrate an exceptional average Zn plating/stripping efficiency of 99.91% over 2100 cycles at a current density of 4 mA cm⁻², alongside remarkable reversibility at 120 mA cm⁻².
The findings further indicate that the initial Coulombic efficiency of the Zn//Cu cell after 7 days of aging is significantly improved to 71.74% with HPA, compared to 42.59% without it. Additionally, the Zn//MnO₂ cell exhibits a capacity retention of 80% after 1100 cycles at 2 A g⁻¹, outperforming the HPA-free cell, which retains only 37%. This study provides critical insights into the molecular network regulation of aqueous electrolytes and interfacial dynamics, suggesting a promising pathway for enhancing the stability and efficiency of zinc metal batteries and potentially other metallic anodes.
Introduction
The introduction highlights the critical need for grid-scale energy storage technologies to support the increasing reliance on renewable energy sources, particularly given their intermittent nature. Aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) emerge as a promising solution due to their cost-effectiveness, safety, and environmental benefits. However, challenges such as zinc anode corrosion, irreversible by-products, and dendritic growth hinder their commercial viability, leading to reduced lifespan and low Coulombic efficiency (CE). These issues are exacerbated by side reactions, particularly during periods of inactivity, which compromise the active material and electrolyte, ultimately affecting the performance and cost-effectiveness of energy storage systems.
To address these challenges, the paper discusses various strategies for enhancing the zinc plating/stripping process through electrolyte and electrode modifications. Notably, the introduction of amphiphilic additives is proposed as a means to improve charge transfer kinetics and stabilize the zinc anode. The study focuses on the use of 3-(hydroxy(phenyl) phosphoryl) propanoic acid (HPA) as an ionic amphiphilic electrolyte additive, which forms a spherical micellar molecular network that facilitates rapid Zn²⁺ transfer and the formation of a hybrid inorganic-organic solid electrolyte interphase (SEI). The results demonstrate that the HPA-modified electrolyte achieves an impressive average Zn plating/stripping efficiency of 99.91% over 2100 cycles at a current density of 4 mA cm⁻², alongside enhanced cycling performance and capacity retention in comparison to cells without the additive.
Results
The results indicate that HPA (hydrogen phosphoric acid) serves as an effective additive in aqueous electrolytes for zinc-based batteries, enhancing their electrochemical performance. A series of electrolytes were formulated with varying concentrations of HPA (1 mM to 15 mM) alongside 2M Zn(OTf)2. The addition of HPA resulted in a gradual decrease in both pH and ionic conductivity, attributed to the dissociation of hydrogen ions from HPA. Notably, the electrolyte with 10 mM HPA (HPA10) exhibited the highest coulombic efficiency (CE) and longest cycling stability during zinc plating/stripping tests, demonstrating improved current stabilization and uniform zinc deposition compared to the control electrolyte (BE).
Further tests on pouch cells confirmed the beneficial effects of HPA, with HPA10 maintaining superior CE and cycle life during zinc-copper tests at specified current densities. The anti-corrosion performance of zinc anodes was also significantly enhanced in HPA-containing electrolytes, evidenced by a lower corrosion current density and a suppressed onset potential for hydrogen evolution compared to pure Zn(OTf)2. Additionally, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) analysis revealed a shift in the hydrogen signal, indicating increased proton de-shielding and the formation of hydrogen bonds between HPA and water, which likely contributes to reduced water decomposition at the electrode interface. Overall, these findings underscore the potential of HPA as a stabilizing additive in commercial zinc battery systems.
Discussion
In this study, the novel additive HPA, characterized by multiple polar groups, significantly enhances the performance and longevity of aqueous zinc-ion batteries (AZIBs). The findings reveal that HPA’s strong coordination ability with Zn²⁺ ions and its preferential adsorption on zinc anodes facilitate rapid Zn²⁺ transfer, leading to improved plating and stripping kinetics. The HPA aggregates promote a uniform release of Zn²⁺ to the electrode surface, effectively reducing dendrite formation and enhancing the overall cycling stability. Notably, the Zn plating/stripping efficiency reached an exceptional average of 99.91% over 2100 cycles at a current density of 4 mA cm⁻², while also demonstrating superior performance at high current densities of up to 120 mA cm⁻².
The study further highlights the anti-aging properties of the HPA-modified electrolyte, with a Coulombic efficiency (CE) of 71.74% after 7 days of calendar aging, compared to only 42.59% for the HPA-free cell. Additionally, the Zn//MnO₂ full cells with HPA exhibited a capacity retention of 80% after 1100 cycles at 2 A g⁻¹, significantly outperforming the control cell, which retained only 37%. These results underscore the potential of HPA in modulating electrolyte molecular networks and interfacial dynamics, paving the way for the development of more efficient and durable zinc metal batteries applicable to other metallic anodes.