北理工團(tuán)隊(duì)在仿生抗凍材料助力低溫水系鋅電池長(zhǎng)期運(yùn)行研究中取得研究進(jìn)展

2025-04-11 14:16:21北京理工大學(xué)閱讀量：16929      我要評(píng)論

　　近日，北京理工大學(xué)賀志遠(yuǎn)教授課題組在仿生抗凍材料助力低溫水系鋅電池長(zhǎng)期運(yùn)行研究中取得重要進(jìn)展。2025年4月，相關(guān)研究成果以“Antifreeze Protein Mimics Realizing Stable Low-Temperature-Resistant Aqueous Zn-ion Batteries with High Water Content”為題在國(guó)際知名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表。北京理工大學(xué)賀志遠(yuǎn)教授、王丹老師和陳小婷老師為論文共同通訊作者，碩士生朱澤宇和馬浩然為論文的共同第一作者。

　　水系鋅離子電池憑借其高理論容量、高離子電導(dǎo)率、成本低、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，被視為傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的替代品。然而，在低溫環(huán)境下由于電解質(zhì)的凍結(jié)，會(huì)大幅降低水系鋅電池的離子電導(dǎo)率，充放電容量以及使用壽命。目前，提升水系鋅電低溫運(yùn)行的方法包括高濃度電解質(zhì)、水凝膠電解質(zhì)、添加抗凍劑等，這些方法往往會(huì)造成水的損失，使得電池安全性降低，成本增。

　　鑒于此，課題組從仿生抗凍材料出發(fā)，通過(guò)仿照抗凍蛋白在生物細(xì)胞凍存中修飾冰晶形貌，抑制冰再結(jié)晶的功能，制備了氧化氮化碳量子點(diǎn)(OQCNs)對(duì)凍結(jié)電解質(zhì)進(jìn)行修飾改性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，極少量的OQCNs(5 mg/mL)在三氟甲烷磺酸鋅溶液中可以顯著抑制冰生長(zhǎng)。在-30℃下，經(jīng)OQCNs改性后的鋅鋅對(duì)稱(chēng)電池在可以穩(wěn)定運(yùn)行超1000 h，Zn||NH4+-V2O5全電池可以穩(wěn)定運(yùn)行超5000圈(約90天)。計(jì)算模擬的相關(guān)結(jié)果也顯示，OQCNs特征結(jié)構(gòu)與冰晶表面尺寸匹配良好，利于其吸附在冰晶表面形成曲率，從而根據(jù)Gibbs-Thomson效應(yīng)降低局部冰點(diǎn)，低溫下可以顯著抑制冰晶形成，拓寬液體區(qū)域以供鋅離子傳輸。這一方法創(chuàng)新性地將放生抗凍蛋白的抑制結(jié)冰功能與低溫凍結(jié)電解質(zhì)結(jié)合，在維持高含水量的同時(shí)有效提升水系鋅離子電池的循環(huán)壽命及充放電容量，為低溫電解質(zhì)的設(shè)計(jì)拓寬了思路。

　　圖1 抗凍蛋白(AFPs)的修飾冰晶形貌與抑制冰再結(jié)晶功能及其在細(xì)胞凍存中的應(yīng)用，及氧化氮化碳量子點(diǎn)(OQCNs)對(duì)其功能的仿生及在水系鋅離子電池中的應(yīng)用示意圖。

圖2 OQCNs在三氟甲烷磺酸鋅溶液中修飾冰晶形貌，抑制冰再結(jié)晶功能。

圖3 從原子級(jí)別深入了解OQCNs對(duì)冰生長(zhǎng)的抑制作用，及凍結(jié)電解質(zhì)機(jī)理探究。

　　圖4 OQCNs改性后的ZOTf電解質(zhì)制備的Zn||NH4+-V2O5全電池低溫性能。

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