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安徽大學(xué)張朝峰教授團(tuán)隊(duì) AFM：用于寬溫域鋅-碘電池的離子選擇透過性水凝膠電解質(zhì)
2024-03-15  來源：高分子科技

  水系鋅-碘電池（Zn-I2）具有較高的放電平臺(tái)（1.38 V 相對(duì)于Zn/Zn2+）和較高的理論容量（211 mA h g-1 基于I0/I-），自然界中豐富的鋅和碘儲(chǔ)量也使其成為大規(guī)模儲(chǔ)能的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。但其循環(huán)壽命受到嚴(yán)重的枝晶生長(zhǎng)和鋅負(fù)極上同時(shí)發(fā)生的寄生副反應(yīng)、以及多碘化物的穿梭效應(yīng)的限制。此外，高溫下加劇的界面寄生反應(yīng)和低溫下延緩的離子傳輸動(dòng)力學(xué)進(jìn)一步制約著水系Zn-I2電池的實(shí)用性發(fā)展。


  近日，安徽大學(xué)張朝峰教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由硼砂交聯(lián)的細(xì)菌纖維素（BC）網(wǎng)絡(luò)、共聚的p(AMPS-AM)高分子鏈組成的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠電解質(zhì)borax-BC / p(AMPS-AM)；瘜W(xué)交聯(lián)的細(xì)菌纖維素網(wǎng)絡(luò)作為骨架，提高了電解質(zhì)的機(jī)械性能。p(AMPS-AM)高分子鏈中的R-SO3-促進(jìn)了鋅鹽的解離，提高了電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，且顯著提高了Zn2+遷移數(shù)（0.84），抑制鋅枝晶的生長(zhǎng)并引導(dǎo)均勻的鋅（002）沉積。帶負(fù)電荷的R-SO3-與多碘化物陰離子間的靜電斥力阻礙了多碘離子在電解質(zhì)中的穿梭，維持了全電池循環(huán)過程中的高庫倫效率。此外，電解質(zhì)中豐富的親水基團(tuán)與自由水分子通過氫鍵牢固結(jié)合，抑制了活性水分解引起的腐蝕和析氫反應(yīng)，同時(shí)自由水分子的減少維持了電解質(zhì)較低的凝固點(diǎn)和良好的保水性能；谠撾p網(wǎng)絡(luò)水凝膠電解質(zhì)，Zn-I2全電池在寬溫域下表出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)工作以“A Polyanionic Hydrogel Electrolyte with Ion Selective Permeability for Building Ultra-Stable Zn/I2 Batteries with 100 °C Wide Temperature Range”發(fā)表在材料領(lǐng)域國際知名期刊Advanced Functional Materials上。安徽大學(xué)劉洋洋博士為論文第一作者，通訊作者為安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院張朝峰教授。


圖1. 雙網(wǎng)絡(luò)BBAS水凝膠的設(shè)計(jì)及物化性質(zhì)


圖2. Zn負(fù)極的可逆性和穩(wěn)定性的研究。


圖3. Zn/I2全電池性能。


圖4. 抑制穿梭效應(yīng)機(jī)理。


圖5. 寬溫域下Zn-Zn對(duì)稱電池和Zn-I2全電池循環(huán)。


  綜上所述，該工作成功設(shè)計(jì)了一種具有離子選擇透過性的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠電解質(zhì)（borax-bacterial cellulose / p(AMPS-AM)），可以在寬溫域下同時(shí)調(diào)節(jié)鋅負(fù)極、碘正極-電解質(zhì)界面。水凝膠鏈中大量存在的R-SO3-促進(jìn)了Zn2+的快速遷移，同時(shí)誘導(dǎo)Zn2+沿（002）晶面均勻沉積。水凝膠電解質(zhì)與I3-和I5-陰離子之間的靜電相互作用有效地抑制了碘化物物質(zhì)的穿梭效應(yīng)，這通過可視化實(shí)驗(yàn)和原位拉曼光譜得到證實(shí)。此外，水凝膠骨架中豐富的親水官能團(tuán)通過在水凝膠和水分子之間建立氫鍵從而降低了H2O的反應(yīng)性，抑制HER和副產(chǎn)物的形成。因此，水凝膠電解質(zhì)賦予對(duì)稱Zn-Zn電池在1 mA cm-2下具有2000 h的可逆沉積/剝離循環(huán)，即使在-50和50℃下，也能保持其性能超過2000小時(shí)和600小時(shí)。此外，Zn-I2全電池在2 C時(shí)表現(xiàn)出2000次循環(huán)和在10 C下14000次循環(huán)的理想循環(huán)性能，且沒有任何容量衰減。具有3.3低N/P比的軟包電池經(jīng)過長(zhǎng)達(dá) 350 次循環(huán)的測(cè)試后可提供2.03 mA h cm-2的高面積容量。這些出色的循環(huán)性能證明了該水凝膠電解質(zhì)在寬溫域、高性能水系Zn-I2電池中的應(yīng)用潛力。


  原文鏈接 https://doi.org/10.1002/adfm.202400517

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（責(zé)任編輯：xu）
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