深圳大学张培新教授团队 AFM：多功能MXene键合传输网络嵌入固态聚合物电解质实现高倍率和稳定的锌金属电池

2022-09-02 来源：高分子科技

水系锌离子电池是新兴的储能电池，具有高理论体积容量（5855 mAh cm^-3）、低成本及本质安全性等优点。然而，由水性电解质引发的锌阳极腐蚀，析氢等副反应是影响电池电化学性能的重要原因，亟需解决。前期研究证实通过采用固态聚合物电解质(SPE)有望解决上述问题。值得指出的是，SPE内部离子传输缓慢及不稳定的电解质-电极界面也阻碍了固态锌离子电池的发展。因而，发展高性能固态锌离子电池的前提是开发具有高效离子传输及稳定电解质-电极界面特性的SPE材料。

近日，深圳大学化学与环境工程学院张培新教授团队提出一种多功能MXene键合传输网络嵌入SPE的设计理念，以实现电解质内部高效、均匀的离子传输，并构建了稳定的电极-电解质界面及高倍率、稳定的锌金属电池。一方面，DFT计算和实验结果证实，二维MXene纳米填料的引入可以提高PH/MXene SPE的热扩散效率和锌离子迁移数，同时降低离子迁移势垒。此外，由于MXene和PH聚合物链之间形成氢键网络，外电场激发的偶极子会通过局部极化电场效应加速锌盐的解离和离子传输。另一方面，结合仿真模拟、形态表征、相间组分和界面传输动力学的研究可知，MXene纳米填料还可以降低离子浓度极化，使电极-电解质界面中的离子传输均匀化，有利于原位构建稳定的有机/无机杂化界面，实现均匀的锌沉积。相关成果以“Multifunctional MXene-Bonded Transport Network Embedded in Polymer Electrolyte Enables High-Rate and Stable Solid-State Zinc Metal Batteries”为题发表在Advanced Functional Materials国际期刊上。

工作亮点

1： Ti₃C₂T_x MXene纳米片能够通过表面上存在的氧和氟基团，能够与聚合物链相互作用，形成氢键（H-F和H-O）网络结构，可以提高聚合物的机械性能和热扩散性能。此外，在外电场的作用下氢键可以形成偶极子，偶极子的积累可增强介电常数，从而通过局部极化电场效应促进锌盐的解离，加速离子传输。

2：PH/MXene电解质膜在0.1 mA cm^–2和0.5 mA cm^-2下分别实现了2500小时和1500小时的超稳定电镀/剥离工艺。这种超稳定循环性能应归因于聚合物基质内部所形成的MXene键合传输网络，其有利于快速和均匀的离子传输，从而均匀化锌沉积。通过进下的COMSOL模拟，3D共聚焦以及非原位FESEM表征，证明了PH/MXene SPE中Zn沉积的均匀性增强。

3：采用Ar⁺溅射的X射线光电子能谱进行循环后电极的界面成分分析，结果表明：得益于磺酸根离子的均匀分解，锌负极表面形成了稳定、均一的SEI膜。通过Ar⁺溅射120 s后发现无机ZnF₂成分的强度显著增加，同时出现了ZnS (162.5 eV)和ZnO (529.7 eV)等亲锌组分。这些无机组分（ZnF₂, ZnO和ZnS)有助于电极-电解质界面的离子传输及其稳定性。

图1. a) MXene键合传输网络嵌入固体聚合物电解质的示意图。b) 所制备的PH/MXene SPE的数字图像，c) 电解质膜的柔韧性展示。PH/MXene SPE的FESEM图像：d) 侧视图和 e、f) 顶视图以及相应的EDS映射。g) 纯PVDF-HFP、PH SPE 和PH/MXene SPE的FTIR光谱。h) Zn(OTf)₂、PVDF-HFP、PH SPE和PH/MXene SPE的DSC曲线。

图2.a) PH和PH/MXene SPE膜的应变测试。b) PH和PH/MXene SPE在0.1 mV s^–1时的LSV曲线。PH和PH/MXene SPE膜的瞬态电热(TET)研究。c) 测试过程中的悬浮样品。d)实验数据的拟合结果。e)热导率和f) PH和PH/MXene SPE膜的热扩散率。

图3. PH SPE和PH/MXene SPE的离子传输性能研究。a) 锌原子在不同官能团修饰的Ti₃C₂T_xMXene 上的吸附能。b)离子电导率和相应的活化能。c) 离子迁移数。d) 介电常数。e) 基于局部极化电场效应的离子传输增强机制示意图，该效应源自分布在氢键网络上的激发偶极子。

图4. 基于PH SPE和PH/MXene SPE的Zn电镀/剥离电化学性能测试。 a) Zn|Cu不对称电池在0.1 mA cm^-2和0.1 mAh cm^-2条件下的库仑效率。b) 以0.1 mV s^–1记录的CV曲线。 c) Zn|Zn对称电池的循环稳定性和d) 倍率性能。e) 在循环寿命方面与以往报告的比较。

图5.电极-电解质界面中Zn沉积行为的模拟和实验研究：a, c) PH SPE和 b, d) PH/MXene SPE中的归一化局部电流密度分布和Zn离子浓度分布。分别在PH SPE中循环e, g-j) 800 h和在PH/MXene SPE中循环f, k-n) 2500 h后的激光共聚焦扫描显微镜、FESEM和相应的EDS映射图像，在0.1 mA cm^–2和 0.1 mAh cm^–2的条件。

图6.研究电极-电解质界面中的界面组分和传输动力学。a) 循环后修饰电极表面各种元素的XPS光谱。在b) PH/MXene SPE和c) PH SPE中连续镀锌过程中Zn|Zn对称电池的原位EIS曲线。d) 界面传输动力学和锌沉积之间的内在关系示意图。

图7.由PH和PH/MXene SPE组装的固态Zn/VO₂全电池的电化学性能评估。a) PH SPE和b) PH/MXene SPE在0.1 mV s^–1的扫描速率下记录的CV曲线。c) 倍率性能。d) PH/MXene SPE在不同电流密度下的充放电曲线。e) 0.5 A g^–1下的循环稳定性。在f) PH/MXene SPE和g) PH SPE中运行的Zn/VO₂电池的EIS曲线。h) VO₂/PH/MXene SPE/Zn软包电池串联的数字图像及其在不同状态下点亮LED指示灯。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202207909

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻