上海硅酸盐所在固态锌离子储能器件领域取得进展

高安全、低成本清洁能源是实现碳达峰、碳中和战略目标的重要技术支撑。锌离子电池和锌离子电容器因其高理论容量、丰富的锌储量、环境友好等优点，有望取代锂离子电池成为大规模储能系统的最佳选择之一。然而，金属锌负极在水系电解液中仍然面临枝晶、腐蚀、析氢、析氧等问题，严重影响储能器件的循环寿命。在锌离子储能体系中引入固态电解质能够彻底解决锌负极的枝晶以及产气问题，但实现锌离子在固态晶体中的快速传输依然极具挑战。 

近期，中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强研究员团队通过溶剂挥发自组装以及氟取代掺杂策略，成功制备了一种具有介孔结构的硫化锌快离子导体ZnyS1-xFx。一方面，氟离子对硫离子的取代掺杂明显降低了锌离子在相邻的八面体锌位点的迁移位阻，从而实现锌离子在结晶态ZnyS1-xFx的体相传导；另一方面，富集二甲基甲酰胺（DMF）分子的介孔结构又能够促进锌离子在孔道内表面的非破坏性传导。在预先负载锌离子后，这种全新的介孔硫化物导体（Zn-MFZS）在室温下展现出极高的锌离子电导率（0.66 mS cm-1）以及宽电化学稳定窗口（-0.5 to 3 V versus Zn/Zn2+)，并能实现超过1600小时的无枝晶锌离子沉积与剥离。更重要的是，这一介孔快离子导体能够在孔道中原位生长普鲁士蓝衍生物以及碳质电极材料，极大促进了锌离子在活性电极和固态电解质中的界面传导。使用这一硫化锌固态电解质构建的锌离子电池和锌离子电容器不仅展现出优异的电化学性能，还兼具高安全特性以及全天候充放电能力。这一晶体结构设计以及介孔构建策略还能应用到其它硫族化合物如硒化锌、碲化锌中，从而揭示了一系列具有潜在应用前景的锌快离子导体材料。 

上述工作以“A zinc-conducting chalcogenide electrolyte”为题发表在Science Advances 期刊上，通讯作者为上海硅酸盐所黄富强研究员。该研究工作得到国家自然科学基金、上海科技创新行动计划等项目的支持。文章链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2217

锌离子在介孔硫化锌快离子导体ZnyS1-xFx (Zn-MFZS)中的传输规律以及理论计算表征