支春义Nature子刊：聚合物异质电解质实现24V固态锌锂混合电池

第一作者：Ze Chen, Tairan Wang

通讯作者：支春义、范俊、Minshen Zhu

通讯单位：香港城市大学、克姆尼茨理工大学

论文速览

本文提出了一种聚合物异质电解质（PHE），用于实现高电压的锌（Zn）/锂（Li）混合电池。锌电池因其高氧化还原电位而导致低电压和低能量密度，限制了其在许多高能量需求应用中的应用。尽管使用高电压正极材料如尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）可以提高锌电池的电压，但Zn2+离子一旦嵌入LNMO中，就会不可逆地固定下来。

本研究设计的PHE由负极层和正极层组成，负极层以Zn2+作为电荷载体，而正极层则阻止Zn2+离子的穿梭，从而允许Zn和Li的可逆分离。

因此，Zn‖LNMO电池展示了高达2.4V的放电电压和450个稳定循环的高可逆容量，这些性能也在扩大规模的软包电池中得到了实现。软包电池在静置28天后显示出低自放电。设计的电解质为开发基于可逆锂化正极的高电压锌电池铺平了道路。

图文导读

图1：可充电Zn‖LNMO电池的挑战，包括Zn‖LNMO电池的示意图、恒流充放电（GCD）曲线、LNMO电极初始状态和放电状态后的X射线衍射（XRD）图谱，以及基于分离的Zn2+和Li+聚合物电解液的Zn‖LNMO电池的GCD曲线。

图2：PHE的组成和离子迁移性，包括PHE在电池中的示意图、CPL和APL的表面扫描电镜（SEM）图像、PHE的截面图像、PHE中Zn和Li的元素分布、不同聚合物基质中Zn2+和Li+离子的离子电导率和离子传输数。

图3：PHE中离子迁移的机理，包括PMA中Li+和Zn2+离子与OTF阴离子的快照、PMA基质中Zn2+和Li+的扩散系数、不同温度下PHE的Bode图、PHE中离子迁移的模拟、不同离子从APL到CPL侧移动的PMF、PHE中离子迁移的示意图、Li‖Cu电池的GCD曲线用于测试金属Zn电极的库仑效率、基于PHE的Li‖Zn电池的GCD曲线和循环性能。

图4：使用PHE的锌电池的电化学性能，包括Zn‖LNMO扣式电池的CV曲线、GCD曲线、不同倍率下的倍率性能、0.5 C下的循环性能和库仑效率、与其他锌离子电池和锌混合电池在室温下的放电电压和容量的比较。

图5：Zn‖LNMO软包电池的电化学性能，包括软包电池在休息后的GCD曲线和Nyquist图、0.5 C下的循环性能、与其他锌混合电池软包电池性能的比较。

总结展望

本研究开发的聚合物异质电解质（PHE）成功解决了锌电池中Zn2+离子在高电压正极材料中的不可逆嵌入问题，实现了2.4V的高放电电压和450个稳定循环的高可逆容量。

PHE由允许快速Zn2+离子传输的负极聚合物层（APL）和阻止Zn2+离子传输的正极聚合物层（CPL）组成，通过添加交联聚甲基丙烯酸酯（PMA）实现Zn2+离子的有效阻断。

这种设计不仅提高了电池的能量密度，还保持了高电压和高容量，证明了PHE在扩大规模电池中的可行性。此外，软包电池在长时间静置后显示出较低的自放电，且在循环测试中保持了高稳定性和库仑效率。

这些结果表明，PHE为开发高电压锌电池提供了一种有效的策略，有望推动锌电池在高能量需求应用中的发展。

文献信息

标题：Polymer hetero-electrolyte enabled solidstate 2.4-V Zn/Li hybrid batteries

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47950-w

锂电池加保护板和不加保护板有什么区别？

最近有小伙伴问小蒲，说锂电池一定要加保护板吗？小蒲的回答是：一定并且非常肯定是要加的。原因很简单粗暴：锂离子电池有保护板，就可以控制锂电芯在规定的工作环境内工作，不会出现爆炸，燃烧等现象；反之，则会有风险。

那么今天小蒲就这个问题来给大家讲一讲，锂电池之所以需要加保护板的原理，以及不加保护板和加保护板有什么区别，这样大家就更清楚保护板的作用，以及在锂电池中的重要性了！之前小蒲也有专门讲到过关于锂电池保护板的内容，「小蒲说电池」什么是锂电池保护板？忘记的小伙伴，建议好好复习哦~

首先，锂电池的保护板是保护电池不会出现过充或者过放等问题，可延长电池的使用寿命。

1、过充保护： 在给电池充电时，电压达到电池最高电压(4.2V)时，保护板就会主动断电封闭，显示充溢不在持续充电了。构成的一种过冲保护效果。

2、短路保护： 当电池不小心短路时，保护板会在几毫秒内主动封闭，不会再通电，这时便是正负极碰到一块也没事，构成的一种短路保护不会引起爆破事件发生。

3、过电流保护： 当电池放电时，保护板会有一个最大的限制电流，不同产品是不相同的，当放电超越这个电流保护板也会主动封闭。

锂电池之所以需要使用到保护板，是因为当电池的电量快要用完时，电压到一个要求的最低值，保护板也会封闭，不能再放电了，产品因此会主动关机，构成一种过放保护效果。比如：像18650锂离子电池单节标称电压一般为3.6V或3.7V；最小放电停止电压一般为2.75V。加了保护板，充电保护电压可在4.125V保护，放电保护电压可在2.4V保护，充电电流可在锂离子电池的最大承受范围内。

当然，也有不加保护板的18650电池，尺度比加保护板的电池要短，是由于一些设备初始设计无法运用加保护板的电池。不加保护板的18650电池虽然成本低，价格相对会便宜不少，但是风险成本更高。就小蒲个人来讲是不建议的，而且也不是很安全。

其次，锂离子电池保护板的用途就是为了确保锂离子电池安全和延长使用寿命而存在的。没有保护板不但寿命难以保证还非常危险。 锂离子电池组装设备当中在锂离子电池自身设计中能够完全地替代保护板的用途时，锂离子电池就能够不要保护板，但现阶段，锂离子电池还是要保护板的。

总之，大家需要知道的就是，锂电池要加保护板！锂电池要加保护板！锂电池要加保护板！（重要的事情说三遍）

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