锂离子电池是我们日常生活中必不可少的电源，但是其存在易燃、易爆、成本较高、污染较大的缺点。以绿色的水溶液为电解质和金属锌为负极的水系锌金属电池，具有安全性高、成本低廉、环境友好等优势，是一类具潜力的电化学储能技术。目前报道的水系锌金属电池的正极材料，能量密度非常有限(<300 Wh kg^-1)，课题组在前期的研究中发现，硫是一类有潜力的高比能转换式水系锌电池正极（Adv. Sci. 2020, 2000761），但是其较低的电压（0.4 V）和巨大的极化（0.8 V）限制了其应用。

为了克服上述问题，设计以SeS₂取代S，同时采用磷掺杂碳纳米片（PCS）对其包覆 (SeS₂@PCS)，并且优化电解液成分的策略。研究发现，在电解液中添加0.1wt%碘充当氧化还原的媒介，不仅显著改善电极与电解液的兼容性，而且能提高材料的利用率和降低反应极化。同时，该添加剂还有利于Zn²⁺离子在SeS₂表面吸附，提高反应动力学。基于此，SeS₂@PCS电极可以放出高达1107 mAh g⁻¹的可逆容量和 0.74 V的平坦放电平台，对应能量密度高达772 Wh kg^-1，该数值高于目前报道的大多数正极材料，而且极化也显著降低到0.41 V (Chem. Eng. J. 2021, 420, 129920) 。

图1. SeS₂的电化学性能和对碘、锌的化学吸附示意图

为了进一步揭示S与Se之间的相互作用，设计了三类富硫的硫硒固溶体 (SeS₁₄ , SeS_5.76和SeS_2.46)。研究发现，硒的引入了，不仅可以提高固溶体的电子电导率，而且由于硫与硒之间存在较强的耦合作用，使得硫硒固溶体的平均放电电位均高于纯硫和纯硒。通过理论计算发现，Se可以调节S的电子密度，能带结构和反应电化学活性，从而促进与Zn的电化学反应。通过进一步优化硒含量，发现SeS_5.76的性能相对最优，具有较好的倍率性能和循环性能，而且能量密度高达867.6 Wh kg^-1 (Adv. Funct. Mater. 2021, 2101237) 。

图2. S-Se固溶体的结构特征和与锌的化学形成能

同时，锌负极也同样面临着挑战，例如枝晶生成、腐蚀、锌较低的溶解-沉积效率，以及气体的产生。这些问题限制了水系锌金属电池的稳定性。汪的华教授和华中科技大学蒋凯教授合作，以Cu_2-xTe作为一种新的嵌入式储锌负极材料，研究发现，Cu_2-xTe具有0.2 V (vs Zn²⁺/Zn)的超平坦放电平台和158 mAh g^-1的容量，并具有优异的循环性能。通过实验表征发现：Zn²⁺首先插入到Cu_2-xTe中，然后Cu_2-xTe进一步转化为Cu和ZnTe，而且此过程高度可逆。理论计算表明，Cu_2-xTe中的晶体缺陷可以调节其电子结构，提高反应活性，同时降低锌离子的扩散势垒。基于Cu_2-xTe负极，报道一种水溶液“摇椅式”Cu_2-xTe//Na₃V₂(PO₄)₃锌离子全电池，能量密度为58 Wh kg^-1，1000次循环后容量保持92% (Adv. Energy Mater. 2021, 2102607)。

图3. 以Cu_2-xTe为负极的全电池示意图和电化学性能

上述成果分别发表于Chemical Engineering Journal，Advanced Functional Materials 和 Advanced Energy Materials。论文的第一作者为必赢中国官方网站资源与环境科学院特聘副研究员李威，论文通讯作者为必赢中国官方网站汪的华教授和华中科技大学蒋凯教授。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、必赢中国官方网站人才引进基金、湖北省面上项目的支持。

论文链接：

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