安徽大学张朝峰教授团队 AFM：用于宽温域锌-碘电池的离子选择透过性水凝胶电解质

2024-03-15 来源：高分子科技

水系锌-碘电池（Zn-I₂）具有较高的放电平台（1.38 V 相对于Zn/Zn²⁺）和较高的理论容量（211 mA h g^-1 基于I⁰/I^-），自然界中丰富的锌和碘储量也使其成为大规模储能的强有力竞争者。但其循环寿命受到严重的枝晶生长和锌负极上同时发生的寄生副反应、以及多碘化物的穿梭效应的限制。此外，高温下加剧的界面寄生反应和低温下延缓的离子传输动力学进一步制约着水系Zn-I₂电池的实用性发展。

近日，安徽大学张朝峰教授团队设计了一种由硼砂交联的细菌纤维素（BC）网络、共聚的p(AMPS-AM)高分子链组成的双网络水凝胶电解质borax-BC / p(AMPS-AM)。化学交联的细菌纤维素网络作为骨架，提高了电解质的机械性能。p(AMPS-AM)高分子链中的R-SO₃^-促进了锌盐的解离，提高了电解质的离子电导率，且显著提高了Zn²⁺迁移数（0.84），抑制锌枝晶的生长并引导均匀的锌（002）沉积。带负电荷的R-SO₃^-与多碘化物阴离子间的静电斥力阻碍了多碘离子在电解质中的穿梭，维持了全电池循环过程中的高库伦效率。此外，电解质中丰富的亲水基团与自由水分子通过氢键牢固结合，抑制了活性水分解引起的腐蚀和析氢反应，同时自由水分子的减少维持了电解质较低的凝固点和良好的保水性能。基于该双网络水凝胶电解质，Zn-I₂全电池在宽温域下表出优异的循环稳定性。相关工作以“A Polyanionic Hydrogel Electrolyte with Ion Selective Permeability for Building Ultra-Stable Zn/I₂ Batteries with 100 °C Wide Temperature Range”发表在材料领域国际知名期刊Advanced Functional Materials上。安徽大学刘洋洋博士为论文第一作者，通讯作者为安徽大学物质科学与信息技术研究院张朝峰教授。

图1. 双网络BBAS水凝胶的设计及物化性质

图2. Zn负极的可逆性和稳定性的研究。

图3. Zn/I₂全电池性能。

图4. 抑制穿梭效应机理。

图5. 宽温域下Zn-Zn对称电池和Zn-I₂全电池循环。

综上所述，该工作成功设计了一种具有离子选择透过性的双网络水凝胶电解质（borax-bacterial cellulose / p(AMPS-AM)），可以在宽温域下同时调节锌负极、碘正极-电解质界面。水凝胶链中大量存在的R-SO₃^-促进了Zn²⁺的快速迁移，同时诱导Zn²⁺沿（002）晶面均匀沉积。水凝胶电解质与I₃^-和I₅^-阴离子之间的静电相互作用有效地抑制了碘化物物质的穿梭效应，这通过可视化实验和原位拉曼光谱得到证实。此外，水凝胶骨架中丰富的亲水官能团通过在水凝胶和水分子之间建立氢键从而降低了H₂O的反应性，抑制HER和副产物的形成。因此，水凝胶电解质赋予对称Zn-Zn电池在1 mA cm^-2下具有2000 h的可逆沉积/剥离循环，即使在-50和50℃下，也能保持其性能超过2000小时和600小时。此外，Zn-I₂全电池在2 C时表现出2000次循环和在10 C下14000次循环的理想循环性能，且没有任何容量衰减。具有3.3低N/P比的软包电池经过长达 350 次循环的测试后可提供2.03 mA h cm^-2的高面积容量。这些出色的循环性能证明了该水凝胶电解质在宽温域、高性能水系Zn-I₂电池中的应用潜力。

原文链接 https://doi.org/10.1002/adfm.202400517

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（责任编辑：xu）

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