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安徽大學張朝峰教授團隊 AFM：用于寬溫域鋅-碘電池的離子選擇透過性水凝膠電解質

2024-03-15 來源：高分子科技

水系鋅-碘電池（Zn-I₂）具有較高的放電平臺（1.38 V 相對于Zn/Zn²⁺）和較高的理論容量（211 mA h g^-1 基于I⁰/I^-），自然界中豐富的鋅和碘儲量也使其成為大規模儲能的強有力競爭者。但其循環壽命受到嚴重的枝晶生長和鋅負極上同時發生的寄生副反應、以及多碘化物的穿梭效應的限制。此外，高溫下加劇的界面寄生反應和低溫下延緩的離子傳輸動力學進一步制約著水系Zn-I₂電池的實用性發展。

近日，安徽大學張朝峰教授團隊設計了一種由硼砂交聯的細菌纖維素（BC）網絡、共聚的p(AMPS-AM)高分子鏈組成的雙網絡水凝膠電解質borax-BC / p(AMPS-AM)。化學交聯的細菌纖維素網絡作為骨架，提高了電解質的機械性能。p(AMPS-AM)高分子鏈中的R-SO₃^-促進了鋅鹽的解離，提高了電解質的離子電導率，且顯著提高了Zn²⁺遷移數（0.84），抑制鋅枝晶的生長并引導均勻的鋅（002）沉積。帶負電荷的R-SO₃^-與多碘化物陰離子間的靜電斥力阻礙了多碘離子在電解質中的穿梭，維持了全電池循環過程中的高庫倫效率。此外，電解質中豐富的親水基團與自由水分子通過氫鍵牢固結合，抑制了活性水分解引起的腐蝕和析氫反應，同時自由水分子的減少維持了電解質較低的凝固點和良好的保水性能。基于該雙網絡水凝膠電解質，Zn-I₂全電池在寬溫域下表出優異的循環穩定性。相關工作以“A Polyanionic Hydrogel Electrolyte with Ion Selective Permeability for Building Ultra-Stable Zn/I₂ Batteries with 100 °C Wide Temperature Range”發表在材料領域國際知名期刊Advanced Functional Materials上。安徽大學劉洋洋博士為論文第一作者，通訊作者為安徽大學物質科學與信息技術研究院張朝峰教授。

圖1. 雙網絡BBAS水凝膠的設計及物化性質

圖2. Zn負極的可逆性和穩定性的研究。

圖3. Zn/I₂全電池性能。

圖4. 抑制穿梭效應機理。

圖5. 寬溫域下Zn-Zn對稱電池和Zn-I₂全電池循環。

綜上所述，該工作成功設計了一種具有離子選擇透過性的雙網絡水凝膠電解質（borax-bacterial cellulose / p(AMPS-AM)），可以在寬溫域下同時調節鋅負極、碘正極-電解質界面。水凝膠鏈中大量存在的R-SO₃^-促進了Zn²⁺的快速遷移，同時誘導Zn²⁺沿（002）晶面均勻沉積。水凝膠電解質與I₃^-和I₅^-陰離子之間的靜電相互作用有效地抑制了碘化物物質的穿梭效應，這通過可視化實驗和原位拉曼光譜得到證實。此外，水凝膠骨架中豐富的親水官能團通過在水凝膠和水分子之間建立氫鍵從而降低了H₂O的反應性，抑制HER和副產物的形成。因此，水凝膠電解質賦予對稱Zn-Zn電池在1 mA cm^-2下具有2000 h的可逆沉積/剝離循環，即使在-50和50℃下，也能保持其性能超過2000小時和600小時。此外，Zn-I₂全電池在2 C時表現出2000次循環和在10 C下14000次循環的理想循環性能，且沒有任何容量衰減。具有3.3低N/P比的軟包電池經過長達 350 次循環的測試后可提供2.03 mA h cm^-2的高面積容量。這些出色的循環性能證明了該水凝膠電解質在寬溫域、高性能水系Zn-I₂電池中的應用潛力。

原文鏈接 https://doi.org/10.1002/adfm.202400517

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（責任編輯：xu）

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