堿性水系鎳鋅電池由于具有高能量密度、高安全性和低成本等優(yōu)點引起人們的廣泛關(guān)注。然而，水系電解質(zhì)的凍結(jié)和堿性條件下惡化的循環(huán)穩(wěn)定性阻礙了它們在低溫氣候環(huán)境下的應(yīng)用。值得注意的是，該循環(huán)穩(wěn)定性與抗凍能力可以通過控制電解液濃度來關(guān)聯(lián)。增加堿性電解液的濃度可以降低其冰點，但同時會嚴重降低電池的循環(huán)穩(wěn)定性。相比之下，降低堿性電解液的濃度可以在一定程度上提高循環(huán)穩(wěn)定性，但不能降低抗凍能力。
傳統(tǒng)研究通常利用防凍添加劑在多種水系電池中降低電解液的冰點。然而，大多數(shù)添加劑在堿性條件下不穩(wěn)定。
近日，香港城市大學的支春義教授和中國科學院深圳先進技術(shù)研究院的彭超副研究員合作，通過先降低堿性電解液的濃度再加入防凍添加劑二甲基亞砜來構(gòu)建穩(wěn)定的水系電解液體系用于鎳鋅電池使其在堿性條件下實現(xiàn)長循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗凍能力。
該工作首先探究了二甲基亞砜和另外兩種常見防凍添加劑在低濃度氫氧化鉀溶液里的穩(wěn)定性能。實驗結(jié)果顯示，只有二甲基亞砜能穩(wěn)定存在于1 M KOH溶液中。該結(jié)果表明二甲基亞砜具有耐堿腐蝕性能。 作者發(fā)現(xiàn)二甲基亞砜防凍添加劑的引入能在堿性條件下延緩鋅負極的腐蝕和抑制鋅枝晶的形成，最終有效地提高鋅負極的循環(huán)穩(wěn)定性能。 同時，作者發(fā)現(xiàn)所構(gòu)建的電解液的冰點隨著二甲基亞砜添加劑摩爾分數(shù)的增加呈現(xiàn)先逐漸降低后逐漸升高的現(xiàn)象并通過實驗與理論計算共同探究證明了該現(xiàn)象的由來。由此獲得當二甲基亞砜的摩爾分數(shù)為0.3時，所構(gòu)建的電解液體系具有最低的冰點為-90°C。 最終，由于該構(gòu)建的電解液具備良好的防凍性能和穩(wěn)定鋅負極性能，使鎳鋅電池在堿性條件下實現(xiàn)長循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗凍性能。該工作為設(shè)計耐堿性防凍添加劑以降低電解液的冰點和穩(wěn)定金屬負極提供了新的見解，這將推動水系堿性電池具備環(huán)境適應(yīng)性的發(fā)展。 論文信息 Alkaline Tolerant Antifreezing Additive Enabling Aqueous Zn||Ni Battery Operating at -60 °C Shengmei Chen, Chao Peng, Dongfeng Xue, Longtao Ma, Chunyi Zhi Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202212767
