【儀表網 研發快訊】近日，東南大學材料科學與工程學院陶立課題組與孫正明/阮秋實團隊合作闡明了光輔助鋅離子電池中的光誘導質子-離子嵌入級聯的新機制，并揭示了高載量電極中來源于溶劑水的嵌入質子對容量的顯著提升作用，實現了功率密度和能量密度雙高的光輔助鋅離子電池。相關成果以“Photoinduced Proton-Cation Cascade Boosting Ion Intercalation Dynamics in Photo-Assisted Zinc-Ion Batteries(光誘導質子-陽離子級聯效應增強光輔助鋅離子電池的離子插層動力學)”為題發表在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed(德國應化)上。
圖1 . 光誘導質子嵌入加速鋅離子脫溶劑化的實驗證據和機理解釋
圖2 . 光誘導質子-鋅離子級聯效應對高載量電極的性能提升作用
光輔助離子電池是最有前景的儲能研究前沿，但光照對電池性能和穩定性的物理化學作用仍然存在許多認識上的不足，比如現有理論難以完全解釋光驅動離子嵌入及其對性能的影響。本研究揭示了光誘導質子-陽離子嵌入級聯機制：光生電子首先通過嵌入過程消耗表面的自由質子，從而引發Zn2+溶劑化水的去質子化(相較于自由溶劑水更具能量優勢)，加速Zn2+的去溶劑化并中隨后加速鋅離子嵌入。質子與鋅離子的協同嵌入使得鋅離子電池在高載量電極上(~30 mg cm-2)實現了12.86 mA h cm-2的優異面容量。通過揭示這種光誘導質子-陽離子級聯機制，本研究填補了光輔助離子電池體系中的理論空白，從本質上解釋了光照如何實現高載量電極容量性能的提升。
光誘導質子-鋅離子級聯效應研究是對團隊去年研究成果(Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202400621)的進一步深化，對高載量電極(游離質子作用有限)的容量提升至關重要。在電極載量為20和30 mg cm-2的情況下，光輔助鋅離子電池的比容量分別為305.04和197 mA h g-1，與暗態條件下相比，容量提高了約50-60%。而在3和30 mA cm-2的電流密度下，面容量可高達12.86 和4.97 mA h cm-2，遠高于現有文獻報道水平。
東南大學材料科學與工程學院博士生查文文和阮秋實副教授為本文的共同第一作者，阮秋實副教授、孫正明教授和陶立教授為共同通訊作者。相關研究受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金(創新研究群體、重大培育、青年基金)、江蘇省重點研發計劃等經費資助。
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