湖南科技大學成娟娟和歐云課題組利用CuSO4電解質(zhì)中Cu2+逐步活化ZnS納米顆粒轉(zhuǎn)換為CuS，在電場作用下，ZnS納米顆?？蓪崿F(xiàn)完全轉(zhuǎn)化，進一步發(fā)生的可逆轉(zhuǎn)化，為水系銅基電化學儲能提供了新思路。
水系儲能是當前能源領域的重要研究方向之一，然而在發(fā)展初期，因其容量低，循環(huán)壽命短等缺陷，嚴重制約其發(fā)展。水系銅基電池，其銅負極具有氧化還原電位高，能較好地避免水系儲能中常見的析氫問題，已經(jīng)被廣泛報道。然而作為電池的重要組成部分——正極材料，卻鮮有被報道。隨著硫化物在水系儲能中的應用，由于其具備低成本，綠色環(huán)保和高容量等優(yōu)點，使水系電池得到了更多研究者的關注。
過渡金屬硫化物因其高容量，高電導率和在水電解質(zhì)中良好的穩(wěn)定性，逐步被探索應用于水系銅基電池并揭示其儲銅機理?；诖?，湖南科技大學成娟娟和歐云課題組，充分考慮水電解質(zhì)環(huán)境，引入礦冶領域中浮化選礦機理應用于電化學儲能中，通過CuSO4電解質(zhì)中的Cu2+，在離子吸附作用下逐步活化ZnS納米顆粒轉(zhuǎn)換為CuS，同時在電場作用下，出現(xiàn)與礦冶領域中報道的不同的現(xiàn)象，即，ZnS納米顆?？蓪崿F(xiàn)完全轉(zhuǎn)化，進一步發(fā)生的可逆轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電化學儲能。
圖1. ZnS電極在充電和放電狀態(tài)下的離位XRD，TEM表征和XPS光譜。(a) ZnS電極在初始循環(huán)期間不同階段的XRD譜圖。(b) 充電完全后的HR-TEM照片。(c)和(d) 放電完全后的HR-TEM照片。(e) S 2p光譜區(qū)。(f) Cu 2p光譜區(qū)。 該團隊首先通過簡單的一步溶劑熱法合成立方ZnS結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)研究活化時ZnS的儲銅機理（圖1）。隨后通過對不同循環(huán)次數(shù)充放電態(tài)和容量達到穩(wěn)定后的ZnS電極進行表征，觀察到ZnS逐步消耗的過程并證實了活化完全時與活化時儲能機理的一致。最后對Cu/ZnS電池進行電化學性能測試，結(jié)果表明，Cu2+活化ZnS過程受電流密度影響，此外在Cu2+活化作用下，ZnS陰極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學儲能特性(圖2) 。 該工作采用新穎的陰極材料設計思路，將轉(zhuǎn)化型陰極應用于水系銅基電池，通過金屬元素的活化及可逆轉(zhuǎn)化，獲得了更優(yōu)異的電化學性能，為后續(xù)水系儲能的陰極材料設計選擇提供了新的解決辦法。 圖2 Cu/ZnS電池在在0.05 V~0.4 V范圍內(nèi)的GCD曲線和倍率性能。(a) 0.1 A g-1電流密度下的充放電曲線。(b)倍率性能。(c) 0.7 A g-1電流密度下的長循環(huán)性能。(d) 0.1~1.0 A g-1電流密度下的循環(huán)性能。(e)和(f) 1 A g-1電流密度下的恒流充放電測試 (35 mA g-1電流循環(huán)一圈)。 論文信息 Copper Activation Enabling Reversible Aqueous Cu?ZnS Battery Chemistry Chenqi Yao, Dr. Juanjuan Cheng, Chaoyong Ma, Zhiyong Tang, Dr. Yun Ou, Prof. Longfei Liu 文章第一作者為姚琛琪 Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202300331
