水系锌离子电池具有高理论能量密度、低成本和高安全等优点，在大规模储能、便携式电子设备和可穿戴技术等领域拥有广阔的应用前景。近年来，研究人员报道了一种无需集成外部发电装置的自充电锌离子电池，依靠从周围环境中获取化学能进行充电。这种自充电过程是通过电池正极材料与环境中氧气之间的自发氧化还原反应来实现。然而，由于氧气的氧化还原电位过低，放电后的正极材料无法被完全氧化至充电状态，导致化学自充电锌离子电池面临着充电速率慢、开路电压低和容量低等挑战，还无法满足实际应用的需求。因此，开发高容量且可快充的自充电锌离子电池具有重大的科学价值和现实意义，也面临巨大的挑战。
针对上述问题，徐吉静教授课题组基于外场辅助策略首次构建了集成式光辅助化学自充电锌离子电池体系，有效解决了化学自充电锌离子电池充电速度慢和可逆性差的问题，并揭示了光辅助化学自充电的复杂反应机理。制备的MoS2/SnO2正极在光辅助放电过程中，导带上的光生电子参与了正极上的Zn2+嵌入反应，从而加速了Zn2+嵌入动力学。此外，正极内的电子表现出较低的转移阻抗，有利于降低Zn2+在正极内的迁移势垒，有助于Zn2+均匀地插入正极层间结构，展示出优异的倍率性能和高的放电容量。在使用外部电源充电时，正极处的光生空穴会诱导Zn2+的脱出，加速充电过程。更重要的是，在没有外界电源的极端条件下，放电后的正极（Znx-MoS2/SnO2）可以依靠环境空气中的氧气进行化学自充电。在光场的辅助下，促进了电子从Znx-MoS2/SnO2向氧气的转移，加速了氧化反应，与此同时，大量的光生空穴有利于Zn2+从正极中快速脱出，使光辅助自充电锌离子电池在3小时内自充电至高达0.95 V的充电电压和202.5 mAh g-1的比容量，并表现出了优异的循环稳定性。光辅助化学自充电锌离子电池体系的成功构建，为开发自充电储能装置提供了全新的思路，并有望推动自充电锌离子电池的实用化进程。相关研究成果以近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志（Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202411845）。
光辅助化学自充电锌离子电池的工作机制示意图
当前位置：
