新架构助力全固态软包锌空电池性能取得突破

全固态锌空软包电池具有极高的理论能量密度、功率密度、良好安全性，在电动汽车、可穿戴设备等领域具备广阔应用前景。但缺乏性能优异的正极、全固态电解质，以及界面电化学/机械稳定性问题，阻碍该电池技术商业化进程，亟需研究突破。

韩国汉阳大学Jung-Ho Lee教授课题组牵头联合研究团队设计制备了一种新型（101）面磷硫化铜CPS(101)正极材料，和抗冻的聚糖生物纤维素（CBC）固态电解质、锌负极构建出完整软包锌空电池，表现出超高的电化学性能，电池能量密度可达460Wh/kg，且稳定循环6000余次，具备-20~80℃宽泛工作温度区间和良好机械柔韧性，为新型高性能高安全性的电池提供了新路径。研究人员首先通过涂覆、溶剂蒸发、真空干燥等步骤制备出了CPS(101)正极，随后以CBC为固态电解质、以锌为负极组装成完整的对称软包锌空电池；为了对比又同步制备了以传统商业Pt/C为正极的电池。扫描电镜测试结果显示电池材料呈现三维多孔海绵状，这有利于电解质的充分接触提升离子传输速度。与传统商用的Pt/C正极材料电化学性能对比研究显示，CPS(101)对氧还原反应（ORR和OER）和析氢反应（HER）表现出更强的电催化活性和更长的循环稳定性。接着研究人员设计制备了抗冻的聚糖生物纤维素（CBC）固态电解质，通过对组分优化调谐，CBC获得了优异的离子导电性（在25℃下导电率可达86.7mS/cm）、良好化学稳定性（2500小时连续测试下离子交换能力仅下降1.1%）和机械稳定性（195 MPa压力下可以承受119%形变应力）。随后研究人员以CPS(101)为正极、CBC为电解质、锌为负极组装成完整的软包电池并开展电化学性能研究。在25 mA/cm2放电电流密度下，电池获得了高达460 Wh/kg放电比能量密度，且稳定循环6000余次后仍可保持96%的初始比容量密度，表现出优异的长程循环稳定性；且电池即使在200 mA/cm2工作电流密度下仍可正常工作，展现出良好的高倍率性能；更为关键是电池在-20~80℃温度区间均能够稳定工作，具备了宽泛工作温度区间，为电池提供了更加广阔的应用前景。



该项研究制备了新型的三维多孔正极磷硫化铜，结合高离子导电性、高氧还原和析氢催化活性的抗冻聚糖生物纤维素（CBC）固态电解质，组装成高性能的软包锌空电池，获得了高达460  Wh/kg放电比能量密度和6000余次长程循环稳定性，为开发高性能长寿命的新一代非锂储能电池指明了新方向。相关研究成果发表在《Nature Energy》。