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湖南大學汪朝暉教授團隊 AFM：抗溶脹納米纖維素隔膜穩定水系鋅電池

2023-06-18 來源：高分子科技

在水系鋅離子電池（AZBs）中，隔膜可能因吸水膨脹作用在循環過程中出現離子傳輸孔道坍塌或無序化的問題（圖1），造成離子通量不均勻和金屬沉積不均勻，但相關現象和緩解策略的研究很少。

圖1 CNF與Zr-CNF隔膜的溶脹-孔隙結構關系

為此，湖南大學材料科學與工程學院汪朝暉教授團隊與西北工業大學馬越教授研究了鋅離子電池（AZB）中隔膜溶脹-孔隙結構-離子通路-金屬沉積之間的構效關系，并制備了具有穩定離子傳輸通路的抗枝晶納米纖維素隔膜。具體而言，這項工作開發了由Zr⁴⁺-原位水解物包覆的納米纖維素（Zr-CNF）組成的多功能隔膜，由于Zr⁴⁺對纖維素進行交聯和水解屏蔽氫鍵的效應，該型隔膜體現出優異的抗溶脹性、孔隙結構穩定性（圖1）。因此，在循環過程中，均勻的鋅離子通量、高離子傳導率和Zn²⁺轉移數得以保持。此外，表面包覆的非晶態Zr-O涂層通過壓Maxwell-Wagner極化在隔膜周圍誘導出一個均勻的定向電場，加速了Zn²⁺的流通，降低了成核過電位，并促進了Zn沉積的均勻成核（圖3）。因此，Zr-CNF抗溶脹隔膜穩定了鋅負極，實現了高庫侖效率（99.7%）和在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2條件下680小時的穩定循環性能。Zr-CNF隔膜的可行性也在基于PANI/V₂O₅的AZBs和基于活性碳（AC）的鋅離子電容器中均得到了驗證（圖2）。總體而言，這項研究解釋了隔膜溶脹與離子通路的相關關系，報道了一種新穎的抗溶脹抗枝晶纖維素隔膜，為高性能水基金屬電池穩定的離子分篩隔膜的設計和開發提供了見解。該工作以“Designing Anti-Swelling Nanocellulose Separators with Stable and Fast Ion Transport Channels for Efficient Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發表在《Adv. Funct. Mater.》上（Adv. Funct. Mater. 2023, 2304280）。文章第一作者是湖南大學材料學院碩士生楊善辰。

圖2 對稱電池與半電池性能

圖3均勻沉積與抗腐蝕性能

圖4 抗溶脹Zr-CNF隔膜的循環穩定性及其均勻沉積機理

該工作是汪朝暉教授團隊近期關于納米纖維素隔膜相關研究的最新進展之一。在今年，團隊報道了一種納米纖維素復合的多尺度離子曬隔膜（大孔/微孔/分子通道）（Energy Storage Mater. 2023，57, 557-56,），研究了納米纖維素表面電荷對離子分布之間的關系（Chem. Eng. J. 2023，466, 143312）。課題組還與西北工業大學馬越教授合作制備了一種納米纖維素基超薄固態電解質薄膜（Chem. Eng. J. 2023，464, 142537）。以這些納米纖維素隔膜為基礎，團隊還系統總結了纖維素能源材料的前沿發展方向（Front. Chem. Sci. Eng. 2023， https://doi.org/10.1007/s11705-023-2307-y）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202304280

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（責任編輯：xu）

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