湖南大学汪朝晖教授团队 AFM：抗溶胀纳米纤维素隔膜稳定水系锌电池

2023-06-18 来源：高分子科技

在水系锌离子电池（AZBs）中，隔膜可能因吸水膨胀作用在循环过程中出现离子传输孔道坍塌或无序化的问题（图1），造成离子通量不均匀和金属沉积不均匀，但相关现象和缓解策略的研究很少。

图1 CNF与Zr-CNF隔膜的溶胀-孔隙结构关系

为此，湖南大学材料科学与工程学院汪朝晖教授团队与西北工业大学马越教授研究了锌离子电池（AZB）中隔膜溶胀-孔隙结构-离子通路-金属沉积之间的构效关系，并制备了具有稳定离子传输通路的抗枝晶纳米纤维素隔膜。具体而言，这项工作开发了由Zr⁴⁺-原位水解物包覆的纳米纤维素（Zr-CNF）组成的多功能隔膜，由于Zr⁴⁺对纤维素进行交联和水解屏蔽氢键的效应，该型隔膜体现出优异的抗溶胀性、孔隙结构稳定性（图1）。因此，在循环过程中，均匀的锌离子通量、高离子传导率和Zn²⁺转移数得以保持。此外，表面包覆的非晶态Zr-O涂层通过压Maxwell-Wagner极化在隔膜周围诱导出一个均匀的定向电场，加速了Zn²⁺的流通，降低了成核过电位，并促进了Zn沉积的均匀成核（图3）。因此，Zr-CNF抗溶胀隔膜稳定了锌负极，实现了高库仑效率（99.7%）和在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2条件下680小时的稳定循环性能。Zr-CNF隔膜的可行性也在基于PANI/V₂O₅的AZBs和基于活性碳（AC）的锌离子电容器中均得到了验证（图2）。总体而言，这项研究解释了隔膜溶胀与离子通路的相关关系，报道了一种新颖的抗溶胀抗枝晶纤维素隔膜，为高性能水基金属电池稳定的离子分筛隔膜的设计和开发提供了见解。该工作以“Designing Anti-Swelling Nanocellulose Separators with Stable and Fast Ion Transport Channels for Efficient Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在《Adv. Funct. Mater.》上（Adv. Funct. Mater. 2023, 2304280）。文章第一作者是湖南大学材料学院硕士生杨善辰。

图2 对称电池与半电池性能

图3均匀沉积与抗腐蚀性能

图4 抗溶胀Zr-CNF隔膜的循环稳定性及其均匀沉积机理

该工作是汪朝晖教授团队近期关于纳米纤维素隔膜相关研究的最新进展之一。在今年，团队报道了一种纳米纤维素复合的多尺度离子晒隔膜（大孔/微孔/分子通道）（Energy Storage Mater. 2023，57, 557-56,），研究了纳米纤维素表面电荷对离子分布之间的关系（Chem. Eng. J. 2023，466, 143312）。课题组还与西北工业大学马越教授合作制备了一种纳米纤维素基超薄固态电解质薄膜（Chem. Eng. J. 2023，464, 142537）。以这些纳米纤维素隔膜为基础，团队还系统总结了纤维素能源材料的前沿发展方向（Front. Chem. Sci. Eng. 2023， https://doi.org/10.1007/s11705-023-2307-y）。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202304280

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（责任编辑：xu）

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