近日，东南大学材料科学与工程学院陶立课题组与孙正明/阮秋实团队合作阐明了光辅助锌离子电池中的光诱导质子-离子嵌入级联的新机制，并揭示了高载量电极中来源于溶剂水的嵌入质子对容量的显著提升作用，实现了功率密度和能量密度双高的光辅助锌离子电池。相关成果以“Photoinduced Proton-Cation Cascade Boosting Ion Intercalation Dynamics in Photo-Assisted Zinc-Ion Batteries(光诱导质子-阳离子级联效应增强光辅助锌离子电池的离子插层动力学)”为题发表在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed(德国应化)上。
图1 . 光诱导质子嵌入加速锌离子脱溶剂化的实验证据和机理解释
图2 . 光诱导质子-锌离子级联效应对高载量电极的性能提升作用
光辅助离子电池是最有前景的储能研究前沿，但光照对电池性能和稳定性的物理化学作用仍然存在许多认识上的不足，比如现有理论难以完全解释光驱动离子嵌入及其对性能的影响。本研究揭示了光诱导质子-阳离子嵌入级联机制：光生电子首先通过嵌入过程消耗表面的自由质子，从而引发Zn2+溶剂化水的去质子化(相较于自由溶剂水更具能量优势)，加速Zn2+的去溶剂化并中随后加速锌离子嵌入。质子与锌离子的协同嵌入使得锌离子电池在高载量电极上(~30 mg cm-2)实现了12.86 mA h cm-2的优异面容量。通过揭示这种光诱导质子-阳离子级联机制，本研究填补了光辅助离子电池体系中的理论空白，从本质上解释了光照如何实现高载量电极容量性能的提升。
光诱导质子-锌离子级联效应研究是对团队去年研究成果(Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202400621)的进一步深化，对高载量电极(游离质子作用有限)的容量提升至关重要。在电极载量为20和30 mg cm-2的情况下，光辅助锌离子电池的比容量分别为305.04和197 mA h g-1，与暗态条件下相比，容量提高了约50-60%。而在3和30 mA cm-2的电流密度下，面容量可高达12.86 和4.97 mA h cm-2，远高于现有文献报道水平。
东南大学材料科学与工程学院博士生查文文和阮秋实副教授为本文的共同第一作者，阮秋实副教授、孙正明教授和陶立教授为共同通讯作者。相关研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金(创新研究群体、重大培育、青年基金)、江苏省重点研发计划等经费资助。
