黄燕教授、范俊教授，Angew. Chem研究论文：当电化学遇到化学，实现更快动力学和更长保存期的有机锌空电池
第一作者：崔芒伟，马宁贵，雷浩通讯作者：黄燕*，范俊*单位：哈尔滨工业大学（深圳），香港城市大学水系锌电池的保存期问题一直长期被忽视，尤其是对需要氧气参与的锌空电池。受限于水的挥发性和电压窗口，水系锌空电池在长期保存时需要不断补充电解液。锌腐蚀、枝晶、钝化和产气等问题也限制了电池保存期。此外，对正极而言，在碱性电解质中易溶解二氧化碳，导致钝化层产生，抑制了电催化剂活性。有机溶剂电解质可以解决水系锌空电池的上述问题，但存在离子电导率低，反应动力学缓慢，过电势大的问题，并且这个问题在其它非水系锌离子电池中也同样存在。近日，在国际知名期刊上发表题为的文章。在这项工作中，我们报道了一种具有长保存期的有机锌空电池，其具有由含碘氧化还原介导的增强动力学。在充电过程中，放电产物Zn(OH)Cl·HO的电氧化被I的化学氧化加速。在放电过程中，吸附在电催化剂上的I-改变了氧还原反应 (ORR) 的能级。受益于这些优势，制备的锌空电池显示出显著提高的能量效率，放置性能和循环寿命。这项研究很好地解决了电池研究中长期存在的放置问题和动力学缓慢问题，促进了研究成果的产业化进程。在碱性和中性电解液中，锌空电池在长时间放置过程中，展示出一个波动的开路电压曲线，可能是由于电解液中水的不断蒸发消耗导致。除了水的蒸发外，碱性电解液中还存在着严重的锌枝晶，腐蚀，产气以及催化剂表面的钝化问题，这些因素共同导致了锌空电池有限的保存期和循环寿命。而在乙二醇电解液中，上述问题可以很好的避免，即使在开放环境中长期放置，电池在不补充新鲜电解液和更换正负极的条件下仍可正常工作，但高粘度的乙二醇电解液存在离子电导率较低，动力学缓慢问题。图1. 锌空电池在三种不同电解液中的存放性能，以及在中性和碱性电解液中长时间放置的失效分析。含碘氧化还原媒介（RMs）被引入以改善电池的动力学。明显地，电池的能量效率得到显著提升（56.03% vs. 30.97%），在不更换锌负极和补充电解液的条件下，锌空电池可循环2600 h（锌片厚度100 µm），超过目前报道的绝大多数锌空电池。进一步，利用原位红外和XRD测试证明放电产物为Zn(OH)Cl⸱HO，在充电过程中则分解产生氧气，电池展示出很好的可逆性。图2. 锌空电池在乙二醇电解液中的电化学性能和反应机制分析。为了探究OER和ORR过程的反应路径，采用前沿分子理论，通过计算最低未占据分子轨道（LUMO）和最高已占据分子轨道（HOMO）的能级来评价电解质组分的氧化还原反应活性。I-具有最高的HOMO能级，表明其在OER过程中首先被氧化成I3，随后，借助I3的化学氧化，放电产物在低充电电位被分解；I2具有最低的LUMO能级，表明其在ORR过程中首先被还原成I-，吸附在电催化剂上的I-降低了ORR的过电位。此外，引入的I3/I RMs还可提升锌的沉积动力学，诱导均匀锌沉积，避免锌突起的产生。这些因素共同提升了锌空电池的能量效率和循环寿命。图3. DFT理论计算结果。在无任何保护的环境空气中放置30天后，EG-I电解液中，电池仍可直接连续放电32.5 h，稳定循环2200 h，明显优于传统水系锌空电池。此外，我们还证实了I/I3 RMs对动力学和过电势的改善在其它有机溶剂和非金属催化剂中具有普适性。该研究为构建长保存期和长循环寿命的锌空电池提供了新的思路。图4. 锌空电池在EG-I电解液中的放置性能。I3/I Redox Reaction-mediated Organic Zinc–Air Batteries with Accelerated Kinetics and Long Shelf Lives5  教育部青年长江学者，广东省杰出青年科学基金获得者，深圳市青年科技奖获得者，哈工大青年拔尖人才。研究工作主要围绕先进电化学能源材料和器件的设计开发。迄今为止已在Nature Commun.; Adv. Mater.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Energy Mater.; ACS Nano等国际权威期刊发表论文近130篇，被Nature Rev. Mater., Chem. Rev., Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊评价和引用13000余次，15篇论文被入选为ESI高被引论文，H指数56。 先后在清华大学、普林斯顿大学获得学士、博士学位，现为香港城市大学长聘副教授，博士生导师。研究方向主要包括（1）能源储存和催化材料的研究；（2）机器学习在力场开发、材料设计中的应用；（3）二维材料纳米孔测序蛋白质/DNA/RNA，纳米材料对细胞膜的影响机制，以及对蛋白质构象转换的调控。近年来，以通讯作者/第一作者在 Nature Communications, ACS Nano, Advanced Materials, Small 和 Journal of Materials Chemistry A 等国际知名期刊上发表 SCI 论文近 120篇，被引次数累计 5500 余次，h 因子 39。本课题组长期招收材料计算相关方向的博士研究生，欢迎感兴趣同学前来咨询（范老师：junfan@cityu.edu.hk）。  哈尔滨工业大学（深圳） 材料科学与工程学院博士生。     香港城市大学材料科学与工程系博士生。柔性能源转化与存储课题组成立于2017年秋季，依托于深圳市柔性印刷电子技术重点实验室和哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院。课题组立足于开发高性能、高安全的水系柔性及可穿戴能源电子材料与器件，主要研究高性能水系电池材料、燃料电池电催化剂，并设计开发柔性可穿戴高安全电化学能源器件。从材料合成到器件制备，结合物理表征、电化学表征、理论计算和实用模型验证，横跨无机化学、有机化学、高分子材料、电化学等多门学科，全面分析与研究能源材料与器件的性能特点与工作原理。课题组平台完善，管理规范，科研氛围浓厚，项目丰富。专注科研的同时也关注组内人文建设，团建交流，科研与生活并重。在此，诚挚地欢迎更多有志青年加入！课题组常年招收研究员序列、博士后、博士生、联合培养博士生、硕士生，欢迎有材料、化学、高分子、无机、物理背景专业的尽早与我联系。1、研究员序列工资待遇：年薪32-50万2、博士后工资待遇：（1）普通博士后：三档年薪（39万、33万、27万）+ 12万（获评校优秀博士后）（2）入选国家博新计划或其他博士后计划：该博士后计划年薪 + 12万（获评校优秀博士后）3、留校工作政策：对于期间取得特别优秀成果的研究员序列和博士后，可申请学校“青年拔尖计划”，如入选将聘为学校教师。博士后在站期间同时获得以下成果条件的，可申请聘为学校研究员序列。（1）以第一作者在本学科高水平期刊发表论文5篇以上（含本学科顶级期刊论文3篇）（2）获得省部级及以上科研项目1项诚挚欢迎有志于在科学研究中得到锻炼、做出成果的优秀人才加入！SCI二氧化碳互助群SCI催化材料交流群SCI钠离子电池交流群SCI离子交换膜经验交流群SCI燃料电池交流群SCI超级电容器交流群SCI水系锌电池交流群SCI水电解互助群SCI气体扩散层经验交流群备注【姓名-机构-研究方向】