北京大學在複合膜調控水系鋅離子電池實現超長循環取得突破

2020-07-17 小材科研

水系鋅離子電池具有高安全性、低成本等優勢，因而成為下一代具有產業化前景的儲能技術之一。但水系鋅離子電池商業化應用面臨鋅負極上鋅枝晶生長、電解液析氫、鹼式硫酸鋅副產物生成等問題。通常有機塗層可以有效阻止陰離子、自由水與鋅負極接觸，隔離陰離子可以有效緩解鋅離子沉積過程中陰離子聚集引起的空間電場不均問題，達到鋅離子均勻沉積的目的，同時還可以隔離陰離子、自由水與鋅負極接觸還可以有效抑制電池主要的副反應，但目前採用的有機塗層缺乏鋅離子傳輸通道，導致電池極化增大，而水系鋅離子電池電化學窗口較窄，極化增大對水系鋅電池的發展非常不利。

近日，北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊研發了新型複合膜調控水系鋅離子電池實現超長循環壽命取得突破，相關成果發表在國際知名科技期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition，doi 10.1002/ange.202005472）上。

北京大學在複合膜調控水系鋅離子電池實現超長循環取得突破

該新型複合膜是在鋅負極上原位重塑了Nafion-Zn-X複合膜，它不僅能有效阻止陰離子、自由水與鋅負極接觸，顯著抑制鋅枝晶和副反應，而且該複合膜中的磺酸基可以與鋅離子配位，降低鋅離子脫溶劑化勢壘，並形成鋅離子傳輸通道，顯著降低鋅的沉積過電勢。測試結果顯示，帶有該複合膜層的鋅負極組裝的鋅對鋅對稱電池在5 mA cm-2(0.5 mAh cm-2)電流下鋅沉積過電位僅100mV，且可穩定循環10000次。即使在10 mAh cm-2(1 mA cm-2)深度鋅沉積/剝離循環，仍能穩定運行1000h以上。另外，該鋅負極組裝半電池的庫倫效率得到顯著改善，數次循環後可達97%。最後，將改進過的鋅負極組裝成全電池或電容器後，獲得了優異的循環性能，說明該複合膜層具有極大的實用價值。

北京大學在複合膜調控水系鋅離子電池實現超長循環取得突破

圖1. (a)純Zn、(c)Zn@Nafion和(d)Zn@Nafion-Zn-X負極上鋅沉積示意圖；(b)Zn-Nafion結構、(e)Nafion與Zn-X橋聯作用示意圖。

文章在潘鋒教授指導下完成，共同第一作者是崔彥輝博士、趙慶賀博士、吳曉君博士，楊金龍博士、楊盧奕博士、潘鋒教授為該文章的通訊作者。該項工作得到國家自然科學基金、國家材料基因工程重點研發項目、廣東省重點實驗室、深圳市科學與技術研究基金、中國博士後科學基金等大力支持。

來源：北京大學新材料學院

論文連結

https://doi.org/10.1002/ange.202005472

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