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湖南大學(xué)汪朝暉教授團隊 AFM：抗溶脹納米纖維素隔膜穩(wěn)定水系鋅電池
2023-06-18  來源：高分子科技


  在水系鋅離子電池（AZBs）中，隔膜可能因吸水膨脹作用在循環(huán)過程中出現(xiàn)離子傳輸孔道坍塌或無序化的問題（圖1），造成離子通量不均勻和金屬沉積不均勻，但相關(guān)現(xiàn)象和緩解策略的研究很少。


圖1 CNF與Zr-CNF隔膜的溶脹-孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系


  為此，湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院汪朝暉教授團隊與西北工業(yè)大學(xué)馬越教授研究了鋅離子電池（AZB）中隔膜溶脹-孔隙結(jié)構(gòu)-離子通路-金屬沉積之間的構(gòu)效關(guān)系，并制備了具有穩(wěn)定離子傳輸通路的抗枝晶納米纖維素隔膜。具體而言，這項工作開發(fā)了由Zr4+-原位水解物包覆的納米纖維素（Zr-CNF）組成的多功能隔膜，由于Zr4+對纖維素進行交聯(lián)和水解屏蔽氫鍵的效應(yīng)，該型隔膜體現(xiàn)出優(yōu)異的抗溶脹性、孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（圖1）。因此，在循環(huán)過程中，均勻的鋅離子通量、高離子傳導(dǎo)率和Zn2+轉(zhuǎn)移數(shù)得以保持。此外，表面包覆的非晶態(tài)Zr-O涂層通過壓Maxwell-Wagner極化在隔膜周圍誘導(dǎo)出一個均勻的定向電場，加速了Zn2+的流通，降低了成核過電位，并促進了Zn沉積的均勻成核（圖3）。因此，Zr-CNF抗溶脹隔膜穩(wěn)定了鋅負極，實現(xiàn)了高庫侖效率（99.7%）和在5 mA cm-2/5 mAh cm-2條件下680小時的穩(wěn)定循環(huán)性能。Zr-CNF隔膜的可行性也在基于PANI/V2O5的AZBs和基于活性碳（AC）的鋅離子電容器中均得到了驗證（圖2）。總體而言，這項研究解釋了隔膜溶脹與離子通路的相關(guān)關(guān)系，報道了一種新穎的抗溶脹抗枝晶纖維素隔膜，為高性能水基金屬電池穩(wěn)定的離子分篩隔膜的設(shè)計和開發(fā)提供了見解。該工作以“Designing Anti-Swelling Nanocellulose Separators with Stable and Fast Ion Transport Channels for Efficient Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發(fā)表在《Adv. Funct. Mater.》上（Adv. Funct. Mater. 2023, 2304280）。文章第一作者是湖南大學(xué)材料學(xué)院碩士生楊善辰。


圖2 對稱電池與半電池性能 


圖3均勻沉積與抗腐蝕性能


 

圖4 抗溶脹Zr-CNF隔膜的循環(huán)穩(wěn)定性及其均勻沉積機理

  該工作是汪朝暉教授團隊近期關(guān)于納米纖維素隔膜相關(guān)研究的最新進展之一。在今年，團隊報道了一種納米纖維素復(fù)合的多尺度離子曬隔膜（大孔/微孔/分子通道）（Energy Storage Mater. 2023，57, 557-56,），研究了納米纖維素表面電荷對離子分布之間的關(guān)系（Chem. Eng. J. 2023，466, 143312）。課題組還與西北工業(yè)大學(xué)馬越教授合作制備了一種納米纖維素基超薄固態(tài)電解質(zhì)薄膜（Chem. Eng. J. 2023，464, 142537）。以這些納米纖維素隔膜為基礎(chǔ)，團隊還系統(tǒng)總結(jié)了纖維素能源材料的前沿發(fā)展方向（Front. Chem. Sci. Eng. 2023， https://doi.org/10.1007/s11705-023-2307-y）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202304280

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