清华大学化学系，Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)创刊主编曲良体教授团队在Zn-Se电池快速充电领域取得新进展，相关成果于4月6日发表在国际顶级刊物Nature Communications上。

硒（Se）是一种具有发展前景的正极材料，目前主要与碱金属（Li、Na、K）负极构成基于有机电解液的Li/Na/K-Se电池。Se正极在这些电池体系中基于2电子转移反应，其理论比容量为675 mAh·g_Se⁻¹。此外，这些Se-基电池的倍率性能通常较差。

曲良体教授团队与北京理工大学张志攀教授、中国科学院力学研究所刘峰副研究员等制备了一系列Se@C正极材料，以Cu²⁺为正极的载流子，以Cu或者Zn为负极，组装电池进行电化学性能测试。通过原位XRD、非原位XRD、非原位TEM、非原位XPS等表征技术研究Se正极在充放电过程中发生的变化。通过恒电流间歇滴定法（GITT）研究了Cu²⁺在充放电过程中的扩散系数。

以Cu²⁺作为Se正极的载流子时，Se正极发生四电子转移反应：Se↔CuSe↔Cu₃Se₂↔Cu_2−xSe↔Cu₂Se（图1），其理论比容量是有机系Se正极（以Li⁺、Na⁺、K⁺为载流子）的2倍。此外，其电极电位相比于有机系Se正极提高了1.5 V左右。其氧化还原电位的提高与CuSe的超低溶解度有关（CuSe的溶解度积常数Ksp为7.9 × 10⁻⁴⁹） 。

由于在充放电过程中的中间产物难溶于水，因此可以从根源上避免有机系Se基电池中多硒化物的穿梭效应。Cu|0.5 M CuSO₄|Se@C-48纽扣电池能够在5分钟内充电800 mAh·g_Se⁻¹（充电电流10 A·g⁻¹）。且当Se@C中Se含量提高至65%时，电池的快充性能无明显变化（图2）。Zn|0.5 M ZnSO₄ ||0.5 CuSO₄ |Se@C全电池可以在9分钟内的充电到900 mAh·g_Se⁻¹，显示出具有发展为快充电池的潜力（图3）。第一性原理计算表明，放电中间产物具有优异的电子导电率，此外，充放电过程中的体积效应能够促进充放电速率。

这个新型的四电子Se正极化学不仅打破了传统硒基电池理论比容量，而且丰富了水储能系统。

相关论文信息：

Nature Communications volume 13, Article number: 1863 (2022) 

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29537-5