水系锌离子电池(Aqueous zinc-ion batteries,AZIBs)具有锌资源丰富、成本低廉、环境友好、理论容量高(820 mAh g–1)以及过电位较低等优势,受到了日益广泛的关注。然而,锌金属电极存在着枝晶、副反应以及析氢等问题,大大缩短了电池的使用寿命,阻碍了其大规模工业化应用的进程。木质纤维生物质材料(纤维素、半纤维素和木质素)具有资源丰富、绿色、可再生、可生物降解、成本低廉、环境友好等诸多优点,已经成为解决上述电池问题的有效方案之一。本文围绕木质纤维生物质材料在高性能水系锌离子电池中的最新研究进展进行了系统、全面的分析和阐述,并提出了未来的发展方向。
一、AZIBs的优势及面临的挑战
图1.电化学储能系统中常见金属阳极的相对原子质量、标准电势、全球年产量、价格和比容量的对比情况
图2. 锌枝晶、析氢、腐蚀和钝化示意图及其相互关系
二、利用木质纤维生物质材料提高AZIB性能的策略
总结了通过引入木质纤维生物质材料提高AZIBs性能的一些策略,主要集中在四个方面:锌阳极、阴极、电解质和隔膜的优化。木质纤维生物质材料分子链上丰富的羟基官能团不仅能够与水分子结合形成结合水,减少自由水参与的副反应,还能够与Zn2+结合,加速Zn2+沉积动力学。同时,其天然的分级和多孔结构能够充当分子筛的作用,进而促进Zn2+的均匀沉积。
三、木质纤维生物质材料在AZIBs中的应用
图3. 木质纤维材料在AZIBs中的先进应用总结
图5. 纤维素在AZIBs凝胶电解质中的作用
图6. 木质素在AZIBs电极材料中的应用
图7. 半纤维素在AZIBs中的应用
四、结论与展望
更多信息请参见Nano Energy期刊论文 “Advances in application of sustainable lignocellulosic materials for high-performance aqueous zinc-ion batteries”。天津科技大学研究生黄毅为论文第一作者,天津科技大学刘苇教授、宁波工程学院/宁波材料所林陈晓副教授、广西大学聂双喜教授为论文共同通讯作者,天津科技大学为第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金(32071715)、天津市自然科学基金重点项目(22JCZDJC00560)和天津市制浆造纸重点实验室开放基金(202002)的资助。
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109416
Yi Huang, Wei Liu*, Chenxiao Lin*, Qingxi Hou, Shuangxi Nie*. Advances in application of sustainable lignocellulosic materials for high-performance aqueous zinc-ion batteries. Nano Energy, 2024, 123, 109416.
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