Spontaneous Reduction and Adsorption of K3[Fe(CN)6] on Zn Anodes in Alkaline Electrolytes: Enabling a Long-Life Zn-Ni Battery

Yuanhao Shen ,  Qingyu Wang ,  Jie Liu ,  Cheng Zhong ,  Wenbin Hu

Citation:  Yuanhao Shen, Qingyu Wang, Jie Liu, Cheng Zhong, Wenbin Hu. Spontaneous Reduction and Adsorption of K3[Fe(CN)6] on Zn Anodes in Alkaline Electrolytes: Enabling a Long-Life Zn-Ni Battery[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(11): 220404. doi: 10.3866/PKU.WHXB202204048 shu

碱性电解液中K3[Fe(CN)6]在锌阳极上的自发还原和吸附延长锌镍电池的循环寿命

    通讯作者: 钟澄, cheng.zhong@tju.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 52125404

    国家自然科学基金 51722403

    天津市自然科学基金 18JCJQJC46500

    广东省自然科学基金 U1601216

摘要: 采用K3[Fe(CN)6]作为锌镍电池的电解液添加剂,克服了锌阳极的变形。此外,通过一系列实验设计和表征,探索了电解液中金属锌与K3[Fe(CN)6]的反应机理。通过XRD (X-ray diffraction)和XPS (X-ray photo-electron spectroscopy)测试,我们发现金属锌在KOH水溶液中能够与K3[Fe(CN)6]反应,将[Fe(CN)6]3–还原为[Fe(CN)6]4−。添加K3[Fe(CN)6]的锌镍电池实现了更长的循环寿命,比不添加K3[Fe(CN)6]的锌镍电池长3倍以上。在相同循环次数下,改性电解质中锌阳极循环不仅形状变化较小,而且没有出现“死”锌现象,电极添加剂和粘结剂也没有发生偏析。此外,不同于一般的有机添加剂,K3[Fe(CN)6]的加入不仅不会增大电极的极化,还能够提高锌镍电池的放电容量和倍率性能。因此,考虑到这一改性策略有着较高的可行性和较低的成本,K3[Fe(CN)6]添加剂在锌镍电池的实际应用中具有极大的推广潜力。

English

    1. [1]

      Goodenough, J. B. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 14. doi: 10.1039/c3ee42613k

    2. [2]

      Zhao, Z.; Fan, X.; Ding, J.; Hu, W.; Zhong, C.; Lu, J. ACS Energy Lett. 2019, 4, 2259. doi: 10.1021/acsenergylett.9b01541

    3. [3]

      纪军, 刘新, 黄浩, 蒋皓然, 段明君, 刘本玉, 崔鹏, 李英峰, 李美成. 物理化学学报, 2021, 37, 2008095. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008095Ji, J.; Liu, X.; Huang, H.; Jiang, H.; Duan, M.; Liu, B.; Cui, P.; Li, Y.; Li, M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2008095. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008095

    4. [4]

      薛延荣, 王兴栋, 张向前, 方锦杰, 许志远, 张宇烽, 刘雪瑞, 刘梦园, 朱威, 庄仲滨. 物理化学学报, 2021, 37, 2009103. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009103Xue, Y.; Wang, X.; Zhang, X.; Fang, J.; Xu, Z.; Zhang, Y.; Liu, X.; Liu, M.; Zhu, W.; Zhuang, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009103. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009103

    5. [5]

      Liu, X.; Fan, X.; Liu, B.; Ding, J.; Deng, Y.; Han, X.; Zhong, C.; Hu, W. Adv. Mater. 2021, 33, e2006461. doi: 10.1002/adma.202006461

    6. [6]

      Han, Y.; Liu, S. -Y.; Cui, L.; Xu, L.; Xie, J.; Xia, X. -K.; Hao, W. -K.; Wang, B.; Li, H.; Gao, J. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2018, 25, 88. doi: 10.1007/s12613-018-1550-6

    7. [7]

      Shen, Y.; Liu, B.; Liu, X.; Liu, J.; Ding, J.; Zhong, C.; Hu, W. Energy Storage Mater. 2021, 34, 461. doi: 10.1016/j.ensm.2020.10.011

    8. [8]

      Wang, L.; Chen, G.; Shen, Q.; Li, G.; Guan, S.; Li, B. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2018, 25, 1027. doi: 10.1007/s12613-018-1653-0

    9. [9]

      Zhao, Z.; Liu, B.; Shen, Y.; Wu, T.; Zang, X.; Zhao, Y.; Zhong, C.; Ma, F.; Hu, W. J. Power Sources 2021, 510, 230393. doi: 10.1016/j.jpowsour.2021.230393

    10. [10]

      Lu, Q.; Zou, X.; Liao, K.; Ran, R.; Zhou, W.; Ni, M.; Shao, Z. Carbon Energy 2020, 2, 461. doi: 10.1002/cey2.50

    11. [11]

      Wang, P.; Shi, X.; Wu, Z.; Guo, S.; Zhou, J.; Liang, S. Carbon Energy 2020, 2, 294. doi: 10.1002/cey2.39

    12. [12]

      Wu, J.; Liu, B.; Fan, X.; Ding, J.; Han, X.; Deng, Y.; Hu, W.; Zhong, C. Carbon Energy 2020, 2, 370. doi: 10.1002/cey2.60

    13. [13]

      Yu, L.; Yi, Q.; Yang, X.; Chen, Y. Sci. China Mater. 2019, 62, 1251. doi: 10.1007/s40843-019-9439-9

    14. [14]

      Wang, L.; Yang, Z.; Chen, X.; Qin, H.; Yan, P. J. Power Sources 2018, 396, 615. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.06.031

    15. [15]

      Chao, D.; Zhou, W.; Xie, F.; Ye, C.; Li, H.; Jaroniec, M.; Qiao, S. -Z. Sci. Adv. 2020, 6, eaba4098. doi: 10.1126/sciadv.aba4098

    16. [16]

      Zheng, X.; Ahmad, T.; Chen, W. Energy Storage Mater. 2021, 39, 365. doi: 10.1016/j.ensm.2021.04.027

    17. [17]

      Lai, S. B.; Jamesh, M. I.; Wu, X. C.; Dong, Y. L.; Wang, J. H.; Gao, M.; Liu, J. F.; Sun, X. M. Rare Met. 2017, 36, 381. doi: 10.1007/s12598-017-0905-x

    18. [18]

      Renuka, R.; Srinivasan, L.; Ramamurthy, S.; Veluchamy, A.; Venkatakrishnan, N. J. Appl. Electrochem. 2001, 31, 655. doi: 10.1023/A:1017562514934

    19. [19]

      Moser, F.; Fourgeot, F.; Rouget, R.; Crosnier, O.; Brousse, T. Electrochim. Acta 2013, 109, 110. doi: 10.1016/j.electacta.2013.07.023

    20. [20]

      Sato, Y.; Takahashi, M.; Asakura, H.; Yoshida, T.; Tada, K.; Kobayakawa, K.; Chiba, N.; Yoshida, K. J. Power Sources 1992, 38, 317. doi: 10.1016/0378-7753(92)80121-Q

    21. [21]

      McLarnon, F. R.; Cairns, E. J. J. Electrochem. Soc. 1991, 138, 645. doi: 10.1149/1.2085653

    22. [22]

      Schröder, D.; Sinai Borker, N. N.; König, M.; Krewer, U. J. Appl. Electrochem. 2015, 45, 427. doi: 10.1007/s10800-015-0817-0

    23. [23]

      Zhu, A. L.; Duch, D.; Roberts, G. A.; Li, S. X. X.; Wang, H.; Duch, K.; Bae, E.; Jung, K. S.; Wilkinson, D.; Kulinich , S. A. ChemElectroChem 2015, 2, 134. doi: 10.1002/celc.201402251

    24. [24]

      Azhagurajan, M.; Nakata, A.; Arai, H.; Ogumi, Z.; Kajita, T.; Itoh, T.; Itaya, K. J. Electrochem. Soc. 2017, 164, A2407. doi: 10.1149/2.0221712jes

    25. [25]

      Zhou, H.; Huang, Q.; Liang, M.; Lv, D.; Xu, M.; Li, H.; Li, W. Mater. Chem. Phys. 2011, 128, 214. doi: 10.1016/j.matchemphys.2011.02.061

    26. [26]

      Lin, M.; Huang, C.; Cheng, P.; Cheng, J.; Wang, C. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 20637. doi: 10.1039/d0ta06929a

    27. [27]

      Sun, K. E. K.; Hoang, T. K. A.; The Nam Long, D.; Zhu, Y. Y. X.; Tian, Y.; Chen, P. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 9681. doi: 10.1021/acsami.6b16560

    28. [28]

      Hosseini, S.; Abbasi, A.; Uginet, L. O.; Haustraete, N.; Praserthdam, S.; Yonezawa, T.; Kheawhom, S. Sci. Rep. 2019, 9, 14958. doi: 10.1038/s41598-019-51412-5

    29. [29]

      Hosseini, S.; Han, S. J.; Arponwichanop, A.; Yonezawa, T.; Kheawhom, S. Sci. Rep. 2018, 8, 11273. doi: 10.1038/s41598-018-29630-0

    30. [30]

      Einerhand, R. E. F.; Visscher, W.; de Goeij, J. J. M.; Barendrecht, E. J. Electrochem. Soc. 1991, 138, 1. doi: 10.1149/1.2085538

    31. [31]

      Einerhand, R. E. F.; Visscher, W.; de Goeij, J. J. M.; Barendrecht, E. J. Electrochem. Soc. 1991, 138, 7. doi: 10.1149/1.2085582

    32. [32]

      Horn, Q. C.; Shao-Horn, Y. J. Electrochem. Soc. 2003, 150, A652. doi: 10.1149/1.1566014

    33. [33]

      Yang, Q.; Li, Q.; Liu, Z.; Wang, D.; Guo, Y.; Li, X.; Tang, Y.; Li, H.; Dong, B.; Zhi, C. Adv. Mater. 2020, 32, 2001854. doi: 10.1002/adma.202001854

    34. [34]

      Shen, Y.; Xu, L.; Wang, Q.; Zhao, Z.; Dong, Z.; Liu, J.; Zhong, C.; Hu, W. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 51141. doi: 10.1021/acsami.1c17204

    35. [35]

      Lee, S. -M.; Kim, Y. -J.; Eom, S. -W.; Choi, N. -S.; Kim, K. -W.; Cho, S. -B. J. Power Sources 2013, 227, 177. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.11.046

    36. [36]

      El-Sayed, A. -R.; Mohran, H. S.; Abd El-Lateef, H. M. J. Power Sources 2011, 196, 6573. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.03.057

    37. [37]

      Cheng, Q.; Fan, W.; He, Y.; Ma, P.; Vanka, S.; Fan, S.; Mi, Z.; Wang, D. Adv. Mater. 2017, 29, 1700312. doi: 10.1002/adma.201700312

    38. [38]

      Lin, K.; Chen, Q.; Gerhardt, M. R.; Tong, L.; Kim, S. B.; Eisenach, L.; Valle, A. W.; David, Hardee, R. G. G.; Aziz, M. J.; Marshak, M. P. Science 2015, 349, 1529. doi: 10.1126/science.aab3033

    39. [39]

      Lin, K.; Gómez-Bombarelli, R.; Beh, E. S.; Tong, L.; Chen, Q.; Valle, A.; Aspuru-Guzik, A.; Aziz, M. J.; Gordon, R. G. Nat. Energy 2016, 1, 16102. doi: 10.1038/nenergy.2016.102

    40. [40]

      Forment-Aliaga, A.; Weitz, R. T.; Sagar, A. S.; Lee, E. J.; Konuma, M.; Burghard, M.; Kern, K. Small 2008, 4, 1671. doi: 10.1002/smll.200800803

    41. [41]

      He, X.; Tian, L.; Qiao, M.; Zhang, J.; Geng, W.; Zhang, Q. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 11478. doi: 10.1039/c9ta02265a

    42. [42]

      Wang, H.; Yuan, X.; Wu, Y.; Zeng, G.; Chen, X.; Leng, L.; Wu, Z.; Jiang, L.; Li, H. J. Hazard. Mater. 2015, 286, 187. doi: 10.1016/j.jhazmat.2014.11.039

    43. [43]

      Kwak, B. S.; Kim, D. Y.; Park, S. S.; Kim, B. S.; Kang, M. Chem. Eng. J. 2015, 281, 368. doi: 10.1016/j.cej.2015.06.062

    44. [44]

      Pei, Y.; Mu, C.; Li, H.; Li, F.; Chen, J. ChemSusChem 2018, 11, 1285. doi: 10.1002/cssc.201800057

    45. [45]

      Hao, P.; Zhu, T.; Su, Q.; Lin, J.; Cui, R.; Cao, X.; Wang, Y.; Pan, A. Front. Chem. 2018, 6, 195. doi: 10.3389/fchem.2018.00195

    46. [46]

      Wu, Z. -G.; Zhong, Y. -J.; Li, J. -T.; Wang, K.; Guo, X. -D.; Huang, L.; Zhong, B. -H.; Sun, S. -G. RSC Adv. 2016, 6, 54404. doi: 10.1039/c6ra09707c

    47. [47]

      Xia, A.; Pu, X.; Tao, Y.; Liu, H.; Wang, Y. Appl. Surf. Sci. 2019, 481, 852. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.03.197

    48. [48]

      Yan, M.; Xu, C.; Sun, Y.; Pan, H.; Li, H. Nano Energy 2021, 82, 105739. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105739

    49. [49]

      Zhao, K.; Liu, F.; Fan, G.; Liu, J.; Yu, M.; Yan, Z.; Zhang, N.; Cheng, F. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 47650. doi: 10.1021/acsami.1c14407

    50. [50]

      Al-Jibbouri, S.; Ulrich, J. Cryst. Res. Technol. 2001, 36, 1365. doi: 10.1002/1521-4079(200112)36:12<1365::AID-CRAT1365>3.0.CO;2-H

    51. [51]

      Al-Jibbouri, S.; Ulrich, J. J. Cryst. Growth 2002, 234, 237. doi: 10.1016/S0022-0248(01)01656-6

    52. [52]

      Skvortsova, Z. N.; Traskin, V. Y. Colloid J. 2018, 80, 349. doi: 10.1134/s1061933x18040129

    53. [53]

      Mohammadi Ghaleni, M.; Al Balushi, A.; Kaviani, S.; Tavakoli, E.; Bavarian, M.; Nejati, S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 44871. doi: 10.1021/acsami.8b16621

    54. [54]

      Hunke, H.; Soin, N.; Shah, T.; Kramer, E.; Pascual, A.; Karuna, M.; Siores, E. Materials 2015, 8, 2258. doi: 10.3390/ma8052258

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  32
  • 文章访问数:  2236
  • HTML全文浏览量:  254
文章相关
  • 发布日期:  2022-11-15
  • 收稿日期:  2022-04-26
  • 接受日期:  2022-06-19
  • 修回日期:  2022-06-05
  • 网络出版日期:  2022-06-27
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章