天津大学自动化研究生，天津大学自动化研究生毕业就业方向
水系锌电池因其本征安全性和低成本而成为电网规模储能的理想选择。然而，大规格水系锌电池的制备受到电解液消耗、析氢反应（HER）和积累以及锌枝晶生长的阻碍。
鉴于此，天津大学杨全红教授、杨春鹏教授报道了一种面向实用化大容量水系锌金属电池的开放式可重复填充电池构型，该构型采用k-卡拉胶和壳聚糖（CarraChi）组成的水键合凝胶电解质，可防止电解质消耗和电池膨胀，并实现Ah级容量的锌电池大规模储能。交联的CarraChi凝胶含有丰富的极性官能团（-OH、-NH2、-SO42-），可键合H2O分子，从而抑制水的快速蒸发和HER。因此，开放式可重复填充锌对称电池具有更高的沉积/剥离能力、循环稳定性和长寿命。在电流密度为10 mA cm-2、面积容量为35 mAh cm-2、放电深度（DOD）为65%的条件下，开放式可重复填充袋软包电池的寿命大于4000 h，累计容量为1286 Ah。采用CarraChi凝胶电解液和可重复填充结构的Zn | |ZVO多层软包电池具有高容量（0.9 Ah）和良好的循环稳定性，在200次循环后可保持84%的容量。
文章要点：
1. 这项工作提出了一种”开放式”软包电池设计，以用于大规格水系锌电池的生产，它可以释放氢气，并允许在电池循环过程中重新填充消耗的电解液成分。具体而言，它由一个用于释放H2和补水的开放系统以及一个水键合凝胶电解质组成。
2. 凝胶电解质由交联生物质衍生的k-卡拉胶和壳聚糖制成，可减轻电解质消耗，防止电池膨胀，并减少锌枝晶的生长。交联k-卡拉胶和壳聚糖（CarraChi）凝胶电解质具有许多极性官能团（-OH、-NH2、-SO42-），可键合水分子以抑制电解质的快速蒸发和HER。此外，可再填充的开放式系统电池配置允许在多层软包电池配置中有效地补充电解液和释放气体。
3. 因此，在大尺寸锌电池中使用CarraChi凝胶可提高沉积/剥离可逆性、循环稳定性和电池寿命。在电流密度为10 mA cm-2、面积容量为35 mAh cm-2的条件下，对称软包电池的寿命约为4000 h，累计容量为1286 Ah。此外，采用可再填充结构的Zn | |ZnxV2O5·nH2O多层软包电池具有高容量（0.9 Ah）和良好的循环稳定性，在循环200次后仍能保持84%的容量。
图1 以两种配置运行的锌电池电池示意图
图2 CarraChi凝胶的制备和物理性能
图3 在25℃下测试锌金属电极在对称扣式电池和可再充软包电池配置中的性能
图4 CarraChi凝胶电解质在Zn||ZVO扣式和软包电池配置中的应用
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-39877-5
来源：高分子科学前沿
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