曹龙生
水系锌电池研究
报告人:曹龙生
所在单位:中国科学院大连化学物理研究所
报告人简介：
曹龙生，男，中科院大连化学物理研究所，研究员，博士生导师。2011年毕业于中国石油大学（北京），化学工程与工艺专业，获工学学士学位；2018年毕业于中国科学院大连化学物理研究所，获得化学工程专业博士学位；2018-2021年赴美国马里兰大学进行博士后研究。2022年1月回到中国科学院大连化学物理研究所，2022年1月晋升为副研究员，2022年10月晋升为研究员。入选国家专项人才计划青年项目、大连化物所“张大煜青年学者”。研究方向：（1）燃料电池研究；（2）电解海水研究；（3）水系二次电池。在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、 Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Chem等学术期刊上发表论文10余篇，授权中国发明专利5项。
摘要：
可再生锌基燃料电池的寿命，受限于锌电极可逆性的提升。针对锌电极表面双电层内吸附水析氢导致阴离子分解产物难以形成致密界面、水分解及锌枝晶生长，降低锌电极可逆性的问题，采用三甲基乙基铵阳离子取代双电层内电极表面吸附水的策略，降低双电层内水活度，抑制析氢水分解，同时，利用阳离子还原产生的活泼中间体诱导阴离子还原并沉积为致密的氟化疏水界面，从而抑制水分解及锌枝晶生长，提高锌电极可逆性。另外，采用有机相取代电极表面水相，也可以实现电极表面双电层内无水环境下的锌沉积，促进致密电极/电解液界面原位生成。利用金属-有机骨架的多孔结构，将与水系电解液不互溶的有机电解液限域在电极表面，隔离水与锌电极，促进锌电极表面原位生成ZnF2-Zn3(PO4)2致密界面，抑制水分解及锌枝晶生长。
针对双电层内锌离子溶剂化层中水分解降低锌电极库伦效率的问题，申请人提出水系锌电解液的“优先溶剂化”机制。利用比水溶剂化能力更强的高供体数分子，取代锌离子溶剂化层中部分水化层；同时，高供体数分子与水形成氢键，降低溶剂化层内水活度，抑制析氢水分解，促进致密电极/电解液界面生成，提高锌电极库伦效率。在氯化锌水系电解液中，加入高供体数二甲基亚砜添加剂，抑制水分解及锌枝晶生长。
在可逆锌电极研究的基础上，在锌空燃料电池体系，借助疏水双电层，实现高可逆两电子氧还原-析氧过程；设计锌水燃料电池新体系，开发析氢-析氧双功能电极，实现电池放电产氢-充电产氧。
