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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。论文的第一作者为武汉大学资源与环境科学院特聘副研究员李威，论文通讯作者为武汉大学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、武汉大学人才引进基金、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