南科大林苑菁课题组在高稳定性电化学材料设计与器件性能衰退机理研究领域取得新进展

2024-10-21 科研聚焦 浏览量：885

近日，南方科技大学深港微电子学院助理教授林苑菁课题组在高稳定性电化学材料设计与器件性能衰退机理研究领域取得新进展，与合作者在学术期刊Nature Nanotechnology、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials上发布四篇研究类论文。

电化学器件主要基于功能材料层之间的固-液、固-固界面的物质吸附、脱附及氧化还原反应，实现能源存储、分子级别生理检测及仿生功能等。因此，器件功能材料的微纳界面演化机制及组分优化对其电化学性能有重要影响。为此，课题组开展针对多功能微纳电化学器件的材料组分、界面结构调控策略的研究。

针对电化学器件的稳定性问题，例如在连续的氧化还原反应过程中常见的性能衰减问题，课题组与多个团队合作，从电化学储能器件入手，对纳米材料颗粒、反应界面的结构演化等进行细致的表征与深入分析，揭示了性能衰退机理。此外，研究发现富锂锰基氧化物在循环过程中，材料颗粒表面的从层状到尖晶石的相变，以及亚稳态结构为光催化反应及热重构提供的条件（图1）。基于此，创新性地提出利用光热辐射提高材料电化学稳定性的策略，为恢复电化学材料性能、减轻结构退化、构筑高性能电化学器件提供了新思路。

图1. 电化学循环及光热辐射处理前后富锂锰基氧化物的化学组分与晶格结构演变示意图。

相关成果分别以“Revealing the degradation pathways of layered Li-rich oxide cathodes” 为题发表于《Nature Nanotechnology》，南方科技大学访问学生王海龙为共同第一作者，四川大学何欣教授、南方科技大学林苑菁助理教授、米兰理工大学李劼教授、浙江大学陆俊教授为共同通讯作者；以“Efficient direct repairing of lithium- and manganese-rich cathodes by concentrated solar radiation” 为题发表于《Nature Communications》, 南方科技大学访问学生王海龙为第一作者，四川大学何欣教授、南方科技大学林苑菁助理教授、浙江大学陆俊教授为共同通讯作者。研究工作得到深圳市基金支持。

在理论研究的基础上，课题组针对高性能水系锌离子电池的构筑策略开展研究。水系锌离子储能器件具有高安全性和环境友好性等特点。然而，在实际应用中依然面临电极可逆性和循环寿命等多重挑战，现有策略难以兼顾电池正负极的同步优化。课题组通过在电解液中引入咪唑溴化物(MPIBr)，设计并制备了一种全离子利用的水系电解液，实现了无枝晶、无穿梭效应的Zn-Br2电池（图2）。对于Zn负极，MPI+阳离子有效抑制与水相关的副反应并促进Zn的均匀沉积，Br−阴离子能够参与Zn2+的溶剂化结构，有利于Zn2+的快速迁移和去溶剂化过程。对于Br2正极，MPI+阳离子与多溴化物离子表现出强烈的螯合作用，有效抑制了多溴化物的穿梭，从而提升电池的稳定性。此外，电解液中的Br−阴离子和Zn2+阳离子能够在充电过程中原位构建双电镀Zn-Br2电池，避免了正极和负极活性材料制备的复杂步骤。电池在100%放电深度下可稳定循环1000次。该工作深入解析电解液成分对电极-电解液界面的影响机制，助力高性能、低成本的锌-卤素电池的发展。

图2. 全离子利用的咪唑溴化物电解液构建高稳定性水系锌-溴电池。

成果以“Fully exploited imidazolium bromide for simultaneous resolution of cathode and anode challenges in zinc–bromine batteries” 为题发表于《Energy & Environmental Science》,南方科技大学博士后胡琳钰博士为第一作者，南方科技大学林苑菁助理教授、四川大学何欣教授为共同通讯作者，南方科技大学为第一单位。研究工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、广东省、深圳市、四川省基金支持。

此外，课题组开发了一种全打印、可汗液激活的微型锌/二硫化钼（Zn/MoS2）-二氧化锰（MnO2）电池，具备长期稳定性及高容量，且可集成于在柔性可穿戴设备中（图3）。该电池负极采用二维MoS2来实现与Zn粉末的晶格匹配，不仅增强了锌负极的稳定性，还促进了电子和离子的传输效率；利用弱酸性汗液，消除MnO2正极上的副产物并补偿水凝胶电解质中的水分损失，实现性能激活，延长电池的使用寿命；通过分层打印技术，实现图案化电池制备。电池在0.16 mA cm-²的电流密度下可达到318.9 μAh cm-²的比容量、424.6 μWh cm-²的能量密度，并在250个充放电周期后仍保持约90%的循环稳定性。该汗液激活的微电池为可穿戴设备提供了环境友好能源存储技术的可行策略。

图3. 基于二硫化钼修饰锌负极的全打印、可汗液激活微电池。

成果以“Fully Printed and Sweat-Activated Micro-Batteries with Lattice-Match Zn/MoS2 Anode for Long-Duration Wearables”为题发表于《Advanced Materials》,南方科技大学博士生张心旖为第一作者，南方科技大学林苑菁助理教授为通讯作者，南方科技大学为第一单位。研究工作得到深圳市基金支持。

论文链接：

论文1“Revealing the degradation pathways of layered Li-rich oxide cathodes”，https://www.nature.com/articles/s41565-024-01773-4

论文2 “Efficient direct repairing of lithium- and manganese-rich cathodes by concentrated solar radiation”

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45754-6

论文3 “Fully exploited imidazolium bromide for simultaneous resolution of cathode and anode challenges in zinc–bromine batteries” ，https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/EE/D4EE02096K

论文4 “Fully Printed and Sweat-Activated Micro-Batteries with Lattice-Match Zn/MoS2 Anode for Long-Duration Wearables”，https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412844