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深研院新材料学院在复合膜调控水系锌离子电池实现超长循环取得突破

水系锌离子电池具有高安全性、低成本等优势,因而成为下一代具有产业化前景的储能技术之一。但水系锌离子电池商业化应用面临锌负极上锌枝晶生长、电解液析氢、碱式硫酸锌副产物生成等问题。通常有机涂层可以有效阻止阴离子、自由水与锌负极接触,隔离阴离子可以有效缓解锌离子沉积过程中阴离子聚集引起的空间电场不均问题,达到锌离子均匀沉积的目的,同时还可以隔离阴离子、自由水与锌负极接触还可以有效抑制电池主要的副反应,但目前采用的有机涂层缺乏锌离子传输通道,导致电池极化增大,而水系锌离子电池电化学窗口较窄,极化增大对水系锌电池的发展非常不利。

近日,永利集团官方网站深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队研发了新型复合膜调控水系锌离子电池实现超长循环寿命取得突破,相关成果发表在国际知名科技期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition,doi10.1002/ange.202005472)上。

该新型复合膜是在锌负极上原位重塑了Nafion-Zn-X复合膜,它不仅能有效阻止阴离子、自由水与锌负极接触,显著抑制锌枝晶和副反应,而且该复合膜中的磺酸基可以与锌离子配位,降低锌离子脱溶剂化势垒,并形成锌离子传输通道,显著降低锌的沉积过电势。测试结果显示,带有该复合膜层的锌负极组装的锌对锌对称电池在5 mA cm-2(0.5 mAh cm-2)电流下锌沉积过电位仅100mV,且可稳定循环10,000次。即使在10 mAh cm-2(1 mA cm-2)深度锌沉积/剥离循环,仍能稳定运行1000h以上。另外,该锌负极组装半电池的库伦效率得到显著改善,数次循环后可达97%。最后,将改进过的锌负极组装成全电池或电容器后,获得了优异的循环性能,说明该复合膜层具有极大的实用价值。

(a)纯Zn、(c)Zn@Nafion和(d)Zn@Nafion-Zn-X负极上锌沉积示意图;(b)Zn-Nafion结构、(e)Nafion与Zn-X桥联作用示意图

文章在潘锋引导下完成,共同第一编辑是崔彦辉博士、赵庆贺博士、吴晓君博士,杨金龙博士、杨卢奕博士。潘锋为该文章的通讯编辑。该项工作得到国家自然科学基金、国家材料基因工程重点研发项目、广东省重点实验室、深圳市科学与技术研究基金、中国博士后科学基金等大力支撑。

论文链接:https://doi.org/10.1002/ange.202005472

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