锂離子電池是我們日常生活中必不可少的電源，但是其存在易燃、易爆、成本較高、污染較大的缺點。以綠色的水溶液為電解質和金屬鋅為負極的水系鋅金屬電池，具有安全性高、成本低廉、環境友好等優勢，是一類具潛力的電化學儲能技術。目前報道的水系鋅金屬電池的正極材料，能量密度非常有限(<300 Wh kg^-1)，課題組在前期的研究中發現，硫是一類有潛力的高比能轉換式水系鋅電池正極（Adv. Sci. 2020, 2000761），但是其較低的電壓（0.4 V）和巨大的極化（0.8 V）限制了其應用。

為了克服上述問題，設計以SeS₂取代S，同時采用磷摻雜碳納米片（PCS）對其包覆 (SeS₂@PCS)，并且優化電解液成分的策略。研究發現，在電解液中添加0.1wt%碘充當氧化還原的媒介，不僅顯著改善電極與電解液的兼容性，而且能提高材料的利用率和降低反應極化。同時，該添加劑還有利于Zn²⁺離子在SeS₂表面吸附，提高反應動力學。基于此，SeS₂@PCS電極可以放出高達1107 mAh g⁻¹的可逆容量和 0.74 V的平坦放電平台，對應能量密度高達772 Wh kg^-1，該數值高于目前報道的大多數正極材料，而且極化也顯著降低到0.41 V (Chem. Eng. J. 2021, 420, 129920) 。

圖1. SeS₂的電化學性能和對碘、鋅的化學吸附示意圖

為了進一步揭示S與Se之間的相互作用，設計了三類富硫的硫硒固溶體 (SeS₁₄ , SeS_5.76和SeS_2.46)。研究發現，硒的引入了，不僅可以提高固溶體的電子電導率，而且由于硫與硒之間存在較強的耦合作用，使得硫硒固溶體的平均放電電位均高于純硫和純硒。通過理論計算發現，Se可以調節S的電子密度，能帶結構和反應電化學活性，從而促進與Zn的電化學反應。通過進一步優化硒含量，發現SeS_5.76的性能相對最優，具有較好的倍率性能和循環性能，而且能量密度高達867.6 Wh kg^-1 (Adv. Funct. Mater. 2021, 2101237) 。

圖2. S-Se固溶體的結構特征和與鋅的化學形成能

同時，鋅負極也同樣面臨着挑戰，例如枝晶生成、腐蝕、鋅較低的溶解-沉積效率，以及氣體的産生。這些問題限制了水系鋅金屬電池的穩定性。汪的華教授和華中科技大學蔣凱教授合作，以Cu_2-xTe作為一種新的嵌入式儲鋅負極材料，研究發現，Cu_2-xTe具有0.2 V (vs Zn²⁺/Zn)的超平坦放電平台和158 mAh g^-1的容量，并具有優異的循環性能。通過實驗表征發現：Zn²⁺首先插入到Cu_2-xTe中，然後Cu_2-xTe進一步轉化為Cu和ZnTe，而且此過程高度可逆。理論計算表明，Cu_2-xTe中的晶體缺陷可以調節其電子結構，提高反應活性，同時降低鋅離子的擴散勢壘。基于Cu_2-xTe負極，報道一種水溶液“搖椅式”Cu_2-xTe//Na₃V₂(PO₄)₃鋅離子全電池，能量密度為58 Wh kg^-1，1000次循環後容量保持92% (Adv. Energy Mater. 2021, 2102607)。

圖3. 以Cu_2-xTe為負極的全電池示意圖和電化學性能

上述成果分别發表于Chemical Engineering Journal，Advanced Functional Materials 和 Advanced Energy Materials。論文的第一作者為88858cc永利官网資源與環境科學院特聘副研究員李威，論文通訊作者為88858cc永利官网汪的華教授和華中科技大學蔣凱教授。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、88858cc永利官网人才引進基金、湖北省面上項目的支持。

論文鍊接：

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101237

2.  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102607

3.  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721015047?via%3Dihub