【研究背景】

发表时间：2019.6.4

水系锌基电池理论能量密度高、安全性好、成本低廉、清洁环保， 是一类极具潜力的电化学储能技术。目前已报道的水系锌基电池一般采用金属锌为负极，然而金属锌负极不仅存在难以克服的锌枝晶问题，且溶解-沉积库伦效率较低，严重限制了水系锌基电池的实际应用。发展基于嵌入式机制的储锌负极则有望从根本上解决锌枝晶问题，从而有效提高电池的循环寿命与能量效率。近日，华中科技大学蒋凯教授和王康丽教授团队首次将预钠化的二硫化钛作为嵌入式反应负极材料应用于水系锌离子电池中。研究表明，TiS₂预钠化后形成的缓冲相Na_0.14TiS₂具有较高的锌离子扩散系数和电子电导率，表现出了优异的储锌可逆性和稳定性。在此基础上，以Na_0.14TiS₂为负极，锰酸锌（ZnMn₂O₄）为正极，首次构建了水系“摇椅型”锌离子电池。该成果以“An Ultrastable Presodiated Titanium Disulfde Anode for Aqueous “Rocking-Chair”Zinc Ion Battery”为题发表在 Advanced Energy Materials上（影响因子：21.875）。第一作者为华中科技大学电气与电子工程学院李威博士，通讯作者为华中科技大学电气与电子工程学院的蒋凯教授和王康丽教授。

【核心内容】

采用真空烧结的方法合成TiS₂，并通过恒电流充放电方法进行预钠化处理，制备了Na_0.14TiS₂。研究表明，作为水系嵌入式储锌负极，TiS₂虽然具有较高的初始放电容量，但其首周库伦效率低，可逆性和结构稳定性差。经过预钠处理后，Na_0.14TiS₂表现出140 mAh/g的可逆容量，88%的首周库伦效率与合适的储锌平均电位（0.3V vs. Zn²⁺/Zn），其倍率性能和循环性能优异，在0.5A/g电流密度下循环5000周后容量保持率为77%。GITT，非原位 XRD，TEM，XPS测试 和 DFT计算表明Na_0.14TiS₂ 具有较好的结构稳定性和可逆性，及较高的锌离子扩散系数。钠离子的引入，不仅调控了电极材料带隙结构，使得Na_0.14TiS₂具有类似于金属的导电性，而且较低的锌离子晶格迁移能。基于Na_0.14TiS₂优异的性能，以Na_0.14TiS₂为负极，ZnMn₂O₄为正极，构建了水系“摇椅型”锌离子全电池。该电池具有0.95V的放电电压和51Wh/kg的能量密度（@ 50mA/g）。相关设计策略和研究结果为发展高性能水系锌基电池提供了新的思路和方法。