導讀：本文指出鋅碘電池容量下降主要是Zn負極受到水和碘離子的腐蝕，並通過製備金屬有機框架（MOF）離子篩薄膜有效的阻斷了Zn與其直接接觸，大大提高了電池的穩定性。使得鋅碘電池的商業化應用進程又邁出了一大步，為後續可充電鋅碘電池的研發提供了指導和參考。
可充電水系鋅碘電池憑藉自身成本低廉，安全性高等優點，被認為是下一代儲能體系的有力競爭者之一。但是鋅碘電池中陰極的I3-/I-離子的氧化還原反應和穿梭效應導致循環過程中容量和庫倫效率逐漸降低，嚴重阻礙了其進一步發展應用。
近日，南京大學周豪慎教授及其團隊通過製備MOF多功能離子篩作為隔膜應用於鋅碘電池中，有效地限制了碘離子的穿梭效應，同時減緩了鋅負極上的副反應，大大提高了鋅碘電池的循環穩定性。相關論文以題為「A Metal-Organic Framework as a Multifunctional Ionic Sieve Membrane for Long-Life Aqueous Zinc-Iodide Batteries」在Advanced Materials上發表。
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004240
水系鋅碘電池是負極為鋅負極，電解液為水系溶劑的新型二次電池體系，具有成本低廉、安全性好、原料豐度高等諸多優點。但鋅碘電池一直未解決碘離子的穿梭效應，而且對於鋅負極上的副反應的理解也較為淺顯，所以目前鋅碘電池的電化學性能遠未達到人們日常應用的要求。限制碘離子的穿梭效應和鋅負極的腐蝕反應，成為鋅碘電池能否進一步發展的關鍵。
本文中，作者針對上述問題，利用MOF材料豐富的多孔結構，成功製備了Zn-BTC多功能分子篩，有效地解決了聚丙烯隔膜或玻璃纖維隔膜無法限制多碘化物穿梭效應的問題。通過V型管光學觀測，該薄膜可有效抑制I3-離子的滲透。同時作者通過原位電化學質譜法和氣相色譜-質譜法對鋅負極進行表徵，發現隨著反應的進行，負極表面的腐蝕程度大大降低，OER反應也被明顯抑制。
並且MOF分子篩的還可以實現Zn表面的溶劑化內層完全轉化為CIP模式，抑制了鋅枝晶的生長，使得鋅負極可以連續循環700小時以上。最終，所組裝的鋅碘電池也表現了令人滿意的電化學性能。即使在大電流下循環6000次後，電池依舊可以貢獻85.1mA h g-1的比容量，高達，同時容量保持率和庫倫效率分別達到84.6 %和99.65 %。
總的來說，作者利用多種表徵手段，揭示了水和碘離子對鋅負極的負面影響，並憑藉MOF材料自身特殊的結構性能，有效抑制了碘離子的穿梭效應，並形成高聚集電解質層，有效地保護了鋅負極，最終實現了鋅碘電池的超長循環壽命和高庫倫效率。該研究揭示了鋅碘電池從實驗室走向生產應用的潛力，對後續鋅碘電池的設計研發具有重要的參考價值（文：Today）
圖1 (a) 採用玻璃纖維隔膜和Zn-BTC隔膜的鋅碘電池示意圖；(b)-(c) 玻璃纖維隔膜和Zn-BTC隔膜的滲透試驗照片；(d) 自放電測試圖；(e)-(f) 玻璃纖維隔膜和Zn-BTC隔膜循環後的拉曼測試圖。
圖2 (a)-(d) 使用玻璃纖維隔膜和Zn-BTC隔膜的拉曼光譜和紅外光譜測試結果；(e) 使用玻璃纖維隔膜和Zn-BTC隔膜的析氫析氧對比圖；(f)-(g) 使用玻璃纖維隔膜和Zn-BTC隔膜後鋅負極的SEM圖；(h)-(i) 兩種隔膜對鋅負極的影響示意圖。
圖3 (a) 不同濃度硫酸鋅溶液和MOF空中電解液的拉曼光譜圖；(b)稀硫酸鋅電解液和高聚合的電極液溶劑化模型；(c)-(f) 循環後兩種隔膜的SEM圖；(g)-(i) 鋅對稱電池循環測試圖。
圖4樣品的電化學測試結果。
本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。