內(nèi)容簡介：

在新能源技術(shù)的快速發(fā)展浪潮中，水系鋅離子電池憑借其獨特優(yōu)勢成為儲能領(lǐng)域的一顆新星。其不可燃的水性電解質(zhì)不僅具有高離子電導(dǎo)率和低成本特性，鋅金屬負(fù)極更展現(xiàn)出高達(dá)5855 mAh cm?3的體積容量和?0.76 V（相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極）的低氧化還原電位，這些優(yōu)異特性使其在眾多儲能技術(shù)中脫穎而出。

在這一前沿領(lǐng)域，鄭州大學(xué)蓄能鋅鋒團(tuán)隊取得了突破性進(jìn)展。團(tuán)隊創(chuàng)新性地從新型有機(jī)硫正極設(shè)計入手，成功開發(fā)出新一代水系鋅電池，有效解決了傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)“存儲艱難”的技術(shù)瓶頸。這一創(chuàng)新設(shè)計不僅大幅提升了電池的能量效率，還顯著延長了使用壽命，同時改善了充電功率性能。該團(tuán)隊由郭瑋和付永柱兩位指導(dǎo)老師以及孫文軒、李增光、楊啟龍、王志凌等學(xué)生組成，他們的研究成果已獲得專利保護(hù)，并在化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊發(fā)表2篇高水平論文。這一突破性進(jìn)展為水系鋅離子電池的技術(shù)革新提供了全新思路，有望推動新能源行業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

要點一：

水系鋅離子電池（AZIBs）的有機(jī)正極材料因其環(huán)境友好性和結(jié)構(gòu)可定制性而備受關(guān)注。然而，大多數(shù)n型正極材料的低電壓、緩慢的氧化還原動力學(xué)和高溶解度限制了其廣泛應(yīng)用。在此，鄭州大學(xué)蓄能鋅鋒團(tuán)隊合理選擇了廉價的工業(yè)材料——二硫化二苯并噻唑（MBTS）作為AZIBs的n型正極材料。由于MBTS中含有氮雜苯并噻唑環(huán)，S-S鍵的解離能降低，從而顯著提高了放電電壓并改善了反應(yīng)動力學(xué)。通過調(diào)控π共軛平面，MBTS實現(xiàn)了低溶解度和快速電荷傳輸。此外，密度泛函理論（DFT）計算揭示了相鄰活性位點與Zn2+存儲反應(yīng)之間的協(xié)同效應(yīng)，表明N與Zn原子之間形成的弱配位鍵（N-Zn-S鍵）降低了放電產(chǎn)物的溶解度。分子進(jìn)化策略使得鋅離子存儲具有快速的反應(yīng)動力學(xué)，從而在高負(fù)載條件下實現(xiàn)了高性能。在0.05 A g?1的電流密度下，MBTS表現(xiàn)出1.02 V的平均放電電壓，過電位僅為100 mV，并提供了153.6 mAh g?1的高比容量。值得注意的是，MBTS在高達(dá)18.2 mg cm?2的超高負(fù)載下仍保持了高比容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。這些發(fā)現(xiàn)為有機(jī)電極材料在AZIBs中的實際應(yīng)用提供了重要指導(dǎo)。

要點二：

團(tuán)隊通過多尺度表征揭示了MBTS正極的鋅離子存儲機(jī)制。非原位拉曼光譜證實充放電過程中S-S鍵發(fā)生可逆斷裂與重組。核磁共振氫譜與對比電解質(zhì)實驗表明，MBTS的容量貢獻(xiàn)完全源于Zn2+配位反應(yīng)，質(zhì)子未參與電荷存儲。X射線光電子能譜分析顯示，放電態(tài)下S-Zn鍵與N-Zn配位鍵的協(xié)同形成，充電后鍵合特征消失，結(jié)合元素面掃描結(jié)果證實Zn2+在電極中的動態(tài)錨定與釋放。理論計算進(jìn)一步揭示，MBTS分子中氮原子區(qū)域的高負(fù)靜電勢特性顯著增強(qiáng)對Zn2+的吸附能力，其擴(kuò)展π共軛平面通過電子離域效應(yīng)穩(wěn)定放電產(chǎn)物，而對比材料DPDS因缺乏活性位點無法形成有效配位。

要點三：

MBTS正極在水系鋅離子電池中展現(xiàn)出卓越的綜合性能。長循環(huán)測試表明，MBTS在1 A g?1下經(jīng)歷1000次循環(huán)后容量保持率超過95%，庫侖效率始終接近100%，而DPyDS因高溶解度導(dǎo)致容量衰減達(dá)59.9%。自放電測試進(jìn)一步驗證MBTS的穩(wěn)定性，靜置24小時后容量保持率超過93%。在高載量條件下（6.7 mg cm?2），MBTS仍實現(xiàn)96%的循環(huán)容量保持率，且能量密度達(dá)1.72 mWh cm?2，突破現(xiàn)有有機(jī)正極載量-性能平衡瓶頸。對比研究顯示，MBTS的比能量（158 Wh kg?1）與循環(huán)壽命（3000次容量保持率74.3%）均優(yōu)于多數(shù)報道的p型、n型及雙極型有機(jī)正極材料。

要點四：

MBTS正極展現(xiàn)出優(yōu)異的氧化還原動力學(xué)特性與實用化潛力。循環(huán)伏安測試表明其儲能過程以電容主導(dǎo)機(jī)制為主，這得益于擴(kuò)展π共軛平面帶來的快速電荷離域效應(yīng)。原位阻抗譜揭示MBTS的電荷轉(zhuǎn)移阻抗較DPDS降低，經(jīng)歷20次循環(huán)后阻抗增幅不足5%，證實其界面穩(wěn)定性。恒電流間歇滴定技術(shù)（GITT）進(jìn)一步測得MBTS的鋅離子擴(kuò)散系數(shù)顯著高于對比材料，基于上述優(yōu)勢組裝的軟包電池在1 A g?1下循環(huán)200次后容量保持率達(dá)96.8%。極端條件測試顯示，軟包電池在針刺、水浸、折疊等破壞性工況下仍能穩(wěn)定驅(qū)動LED器件。

全文小結(jié)：

鄭州大學(xué)蓄能鋅鋒團(tuán)隊通過引入含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)調(diào)控有機(jī)二硫化物的電化學(xué)性能，證實了其作為水系鋅離子電池（AZIBs）正極材料的應(yīng)用潛力。雜環(huán)中的N原子有效吸引π電子云偏移，實現(xiàn)對Zn2+的定向吸附，同時降低S-S鍵解離能，從而顯著提升放電電壓（1.02 V @ 0.05 A g?1）并改善反應(yīng)動力學(xué)（過電勢僅100 mV）。通過局部電荷調(diào)控策略與N-Zn-S配位鍵的協(xié)同作用，有效緩解了分子溶解問題并加速反應(yīng)動力學(xué)，使MBTS在1 A g?1電流密度下仍保持124.4 mAh g?1的優(yōu)異倍率性能。此外，即使在高負(fù)載量條件下的，MBTS仍兼具高比容量與優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該團(tuán)隊提出的有機(jī)硫分子進(jìn)化路徑及Zn2+存儲機(jī)制研究，為高電壓、優(yōu)異倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性的水系鋅離子電池的實現(xiàn)提供了新思路。