中科院崔光磊/赵井文等:单离子导体功能化纳米纤维素膜实现水系锌电池贫液态下的大容量和深度放电

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在国家碳中和、碳达峰的战略需求下,储能领域得到了快速的发展。以锂离子电池为代表的储能系统在动力电池和大规模储能领域得到了广泛的应用。但是目前的锂离子电池技术远不够完美,还存在成本高、能量密度低和安全性差等问题。水系锌金属电池因为安全性高和成本低而成为下一代电池的重要选择。但是析氢、腐蚀和枝晶生长等问题导致水系锌金属电池的可逆性较差,严重限制了它们的实际应用。目前关于水系锌金属电池的研究大部分集中在电极和电解质的设计上,隔膜作为电池的重要部件之一则往往被忽略。


【工作介绍】

近日,中科院青岛生物能源与过程研究所崔光磊赵井文等人将单离子导体功能化的纳米纤维素膜(CNF-SO3Zn)用作水系锌金属电池隔膜,显著提高了锌金属负极的可逆性。CNF-SO3Zn膜具有优异的机械性能、很好的亲水性和均匀的孔结构,且吸水后表现出很高的锌离子迁移数(0.70±0.12)。即使不对电极及其界面进行任何处理,将CNF-SO3Zn膜用于水系锌金属电池后也可以有效抑制析氢和锌枝晶的生长,提高锌金属电池的可逆性。以CNF-SO3Zn膜所组装的电池可以贫液态情况下(E/C=1.0 g Ah−1)实现大容量(8.0 mAh cm−2)和深度放电(DODZn=80%)。此外,该隔膜和常见的锌金属电池正极(普鲁士蓝、碘、聚苯胺等)都具有较好的兼容性,其中以高负载量(17 mg cm−2)的聚苯胺为正极时,所组装电池可以稳定循环150圈以上,容量保持率超过95%。该工作为推动水系锌金属电池的实用化提供了一种简单而有效的策略。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。葛雪松博士为本文第一作者。


【内容表述】

纳米纤维素因为具有原料来源广泛、绿色环保和机械性能高等优点而受到广泛关注。近年来已有许多将纳米纤维素膜应用于电池体系的报道,并取得了不错的效果。但是在大多数文献报道中,纳米纤维素膜在电池中仅仅是作为支撑材料,在电池的组装过程中还需要额外添加电解液,所组装电池的离子迁移数也通常较低。基于上述研究背景,有必要开发单离子导体功能化的纳米纤维素膜,并研究其在水系锌离子电池中的应用。

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图1 CNF-SO3Zn的结构以及成膜后机械性能

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图2 CNF-SO3Zn膜及常用隔膜的形貌对比

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图3 CNF-SO3Zn膜及常用隔膜的离子导电性

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图4 CNF-SO3Zn膜对水活性的抑制

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图5 CNF-SO3Zn和常用隔膜所组装电池的锌负极可逆性

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图6 和之前文献报道的对比

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图7 CNF-SO3Zn膜所组装全电池性能表征


结论

综上所述,作者开发了一种机械强度优异、锌离子迁移数高、亲水性好和低成本的功能化纳米纤维素膜,无需外加锌盐,仅通过简单吸水或者在特定湿度下平后后即可以用于水系锌金属电池,且可以有效抑制锌金属负极的析氢、腐蚀和枝晶生长,显著提高了锌金属负极的可逆性。以CNF-SO3Zn膜所组装的电池可以贫液态情况下(E/C=1.0 g Ah−1)实现大容量(8.0 mAh cm−2)和深度放电(DODZn=80%)。匹配高负载量(17 mg cm−2)的聚苯胺正极后,所组装电池可以稳定循环150圈以上,容量保持率超过95%。此外,CNF-SO3Zn在电池体系中不仅仅是一种隔膜,本身也是一种大分子锌盐,吸水后可以看做是一种凝胶聚合物电解质,且该凝胶聚合物电解质在水中轻微溶胀而不溶解,保证了较高的离子电导率。这项工作显著推动了水系锌金属电池的实用化。


Xuesong Ge, Weihua Zhang, Fuchen Song, Bin Xie, Jiedong Li, Jinzhi Wang, Xiaojun Wang, Jingwen Zhao*, Guanglei Cui*. Single-Ion-Functionalized Nanocellulose Membranes Enable Lean-Electrolyte and Deeply Cycled Aqueous Zinc-Metal Batteries. Adv. Funct. Mater., 2022, https://doi.org/10.1002/adfm.202200429


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参考文献: