浙江农林大学沈哲红、陈浩课题组CEJ：锌诱导的相重构金属双氢氧化物用于高稳定和高倍率镍锌电池

单位：浙江农林大学松山湖材料实验室

背景

过去几十年来，二次电池（包括铅酸电池、镍铁电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池）得到了长足的发展。其中，水性可充电碱性镍锌 (Ni–Zn) 电池因其安全性高、成本低而被认为是下一代储能设备的潜在选择。

近年来，虽然镍锌电池在提高比容量、提高锌负极利用率等方面取得了一些重要进展，但其整体性能仍然受到镍基正极材料稳定性差、倍率性能低的影响。近来，为了提高镍基正极材料的循环寿命和倍率性能，研究人员采用了包括材料结构设计、异质结构调控、与碳或其他过渡金属化合物复合等多种策略。

然而上述策略中采用的方法通常较为复杂且耗能，近期报道发现利用金属有机骨架（MOF）材料的配体/离子交换法可制备出室温下具有良好倍率性能的钴镍双氢氧化物（CoNi-DH）正极材料（Adv. Sci., 2019, 6,；J. Sci., 2021, 587, 693）。

然而基于CoNi-DH正极的镍锌电池的长期稳定性仍不令人满意，因此探索创新方法实现镍锌电池连续5000次以上循环的高容量保持率不仅具有挑战性，而且具有重要意义。

介绍

基于此，浙江农林大学沈哲宏、陈浩课题组日前在国际知名期刊上发表了题为“Zinc-phase of-for high- and high-rate-zinc”的研究成果（影响因子：13.273）。

本工作提出了一种锌诱导相重构方法，成功提高了CoNi-DH材料的电化学稳定性，作为镍锌电池正极材料表现出优异的稳定性和倍率性能，组装的镍锌电池经过8000次循环后容量保持率提升了17.2%至70.0%。本工作进一步结合测试分析与理论计算，系统地研究并明确了该相重构方法实现电化学稳定性提升的内在机理。

图1 具有相重构特征的CoNi-DH正极材料（-Ni）的合成及Ni-Zn电池组装示意图

关键点

要点一：新颖有效的方法

本文报道了一种通过锌诱导相重构提高CoNi-DH材料电化学稳定性的方法。具体来说，通过在Ni2+溶液中共水解Zn/Co双金属MOF前驱体，将(OH)10·2H2O相引入到传统的由Co(OH)2和Ni(OH)2组成的CoNi-DH混合相中。优化后的电极材料命名为-Ni。该新相对于抑制混合氢氧化物正极材料在充放电循环过程中的结构损伤起着关键作用。

看点二：有趣的稳定性提升机制

测试分析与理论计算表明，在氧化还原反应过程中，(OH)10·2H2O相的收缩比纯Co(OH)2相小得多，从而抑制结构损伤，提高CoNi-DH在充放电循环过程中的稳定性。

图2. (a) CoNi-DH电极和(c) -Ni电极经过5000次循环后的SEM图；(b) CoNi-DH电极和(d) -Ni电极长循环前后的XRD图谱对比；(e) -Ni电极材料稳定性提升机理分析：氧化还原反应前后晶格间距收缩较小

要点3：优异的电化学性能

受益于结构稳定性的提高，所得混合氢氧化物-Ni单电极经5000次循环后容量保持率较原CoNi-DH电极提高了15.3%至76.2%，相应组装的镍锌电池经8000次循环后容量保持率也提高了17.2%至70.0%。由于良好的多级微纳结构和较低的电荷转移阻力，-Ni基电极和镍锌电池均表现出优异的倍率性能。此外，混合氢氧化物正极在柔性准固态镍锌电池中也表现出良好的应用前景。

图3. -Ni//Zn电池的(a)CV曲线、(b)CD曲线、(c)倍率性能；-Ni//Zn电池与CoNi-DH//Zn电池的(d)比容量、(e)循环稳定性对比

文章链接

锌相 – 适用于高锌和高倍率锌

关于通讯作者

陈浩浙江农林大学教授

为浙江省“院士配对培养青年人才计划”三级资助培养项目、浙江省151人才项目、上海市优秀博士学位论文获得者。目前主要从事电化学储能材料及生物质衍生材料的研究。目前已在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Adv. Sci.、. Mater.、Small、Chem. Eng. J.等国际知名期刊发表SCI论文30余篇，其中6篇论文入选ESI高被引论文，1篇入选2014年中国最具影响力100篇国际学术论文。此外，还担任Adv. Mater.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等国际学术期刊审稿人和仲裁人。 Mater.、. Mater.、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J. 等。

沈哲宏浙江农林大学教授

浙江省“151”三级人才，目前主要从事生物质衍生微纳复合材料相关研究，近年来主持国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、浙江省创新团队子课题、浙江省自然科学基金等多项项目，曾获浙江省科技进步一等奖（2011年，第三完成人）、二等奖（2016年，第一完成人）、梁溪林业科学技术三等奖（2016年，第一完成人）等奖项。

关于第一作者

庞亚军，浙江农林大学讲师

主要从事微纳阵列材料在能源与环境领域的应用研究，以第一/通讯作者在Appl. Catal. B., . Mater., Small, Chem. Eng. J.等学术期刊上发表论文15篇。

课题组介绍

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