利用亲锌疏水聚合物将锌粉封装在MXene/Silk支架中用于柔性锌离子电池

研究简介

柔性锌离子电池(FZIB)因其安全性、环保性和低成本而为可穿戴储能系统带来了巨大的应用前景。锌粉(ZnP)因其高比表面积、低成本和良好的相容性而成为FZIB极具潜力的负极材料。然而，锌粉易形成枝晶、腐蚀严重且结构完整性较差。本文报道了一种高性能柔性锌负极，其将ZnP封装在具有亲锌和疏水特性的热塑性聚碳酸酯基聚氨酯(TPCU)基质中，并将其与MXene涂层丝绸织物(MXS)集流体集成。TPCU和MXS的协同集成可实现均匀、无枝晶的锌沉积，抑制腐蚀，并提供优异的机械柔韧性。所得柔性负极在1mAcm−2电流密度下实现了超过2500小时的长循环稳定性，在1mAhcm−2电流密度下实现了5mAcm−2电流密度下99.75%的库仑效率。与柔性正极配合使用时，制备的FZIB材料在持续机械变形下仍能为功率器件提供稳定的性能，凸显了其在柔性储能应用领域的潜力。本研究为构建坚固的ZnP基负极以用于下一代FZIB的开发提供了一种可行的方法

图文导读

图1.TPCU-ZnP@MXS的制备工艺和特性。a)TPCU-ZnP@MXS制备工艺示意图。b)原始丝织物、c)MXS的SEM图，以及d)MXS的EDS元素映射。e)ZnP和TPCU-ZnP浆料的粘度随剪切速率的变化（插图：TPCU-ZnP（蓝色）和ZnP（黄色）浆料的光学照片）。f)ZnP和TPCU-ZnP浆料的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随剪切应变的变化（插图：倾斜玻璃载玻片上的一滴浆料）。g)MXene、Silk、MSX和TPCU-ZnP的XRD。h)TPCU-ZnP@MXS的SEM图和i)EDS映射。

图2.亲锌和疏水的TPCU层。a)DFT计算的Zn2+和H2O分子在Zn和TPCU上的吸附能，b)Zn||TPCU-ZnP、Zn||ZnP和Zn||Cu非对称电池的Zn成核过电位。c)对称电池中恒压−150mV下TPCU-ZnP和ZnP的CA曲线。d)扫描速率为1mVs−1时TPCU-ZnP和ZnP负极的Tafel图。e)容量为1mAhcm−2、电流密度为5mAcm−2时TPCU-ZnP||Cu和ZnP||Cu非对称电池的CE。COMSOL模拟了TPCU-ZnP和ZnP电极的f)电场分布和g)Zn2+浓度分布。

图3.TPCU-ZnP@MXS负极的锌沉积形貌及机理。a)TPCU-ZnP@MXS和b)ZnP@MXS负极在5mAcm−2电流密度下沉积5mAhcm−2的原位光学显微镜图（比例尺：200µm，红色框显示体积变化）。c)TPCU-ZnP@MXS和d)ZnP@MXS负极在5mAcm−2电流密度下镀锌5mAhcm−2后的SEM图。e)TPCU-ZnP@MXS和f)ZnP@MXS负极在5mAcm−2电流密度下镀锌5mAhcm−2后的CLSM图。g)TPCU-ZnP@MXS和h)裸露的ZnP负极在镀锌过程中的形貌演变示意图。

图4.ZnP@MXS和TPCU-ZnP@MXS负极的电化学性能。a)TPCU-ZnP@MXS和ZnP@MXS对称电池在1mAcm−2电流密度下以1mAhcm−2进行恒电流循环（插图：放大的电压-时间曲线）。b)TPCU-ZnP@MXS和ZnP@MXS对称电池在1mAcm−2电流密度下以1mAhcm−2进行循环后的SEM图。c)TPCU-ZnP@MXS和ZnP@MXS负极在1mAcm−2电流密度下以1mAhcm−2进行循环后的XRD。d)TPCU-ZnP@MXS和ZnP@MXS对称电池的倍率性能。e)TPCU-ZnP@MXS和ZnP@MXS对称电池在5mAcm−2电流密度下的恒电流循环，充放电容量为5mAhcm−2。f)与最近报道的ZnP基负极的循环性能比较

图5.全电池的电化学性能。a)TPCU-ZnP@MXS||V2O5@CC和ZnP@MXS||V2O5@CC全电池在0.1mVs−1时的CV曲线。b)TPCU-ZnP@MXS||V2O5@CC在0.2至5.0Ag−1不同电流密度下的倍率性能和c)充电/放电曲线。d)电流密度为1.0Ag−1时全电池的循环性能。e)TPCU-ZnP@MXS||V2O5@CCFZIB的结构示意图。f)制备的FZIB的光学照片。g)不同弯曲角度下FZIB的循环稳定性。h)FZIB在定时器和电风扇供电中的实际应用。

研究结论

本研究成功设计并制备了一种高性能ZnP基柔性负极，该负极集成了高导电性和柔性的MXene涂层丝织物（MXS）集流体和兼具亲锌和疏水特性的热塑性聚碳酸酯基聚氨酯（TPCU）缓冲层。MXS集流体确保了高效的电子传导和优异的机械柔韧性。TPCU缓冲层不仅显著增强了Zn2+的传输、诱导了Zn的均匀沉积、有效抑制了水诱导的副反应，还提供了柔性器件所需的机械柔韧性和弹性。最终，TPCU-ZnP@MXS负极在对称电池中以1mAcm−2和1mAhcm−2的电流密度实现了超过2500小时的稳定循环寿命，并在全电池中以1Ag−1的电流密度循环1000次后仍保持了85.4%的高容量保持率。此外，TPCU-ZnP@MXS||V2O5@CCFZIB在各种机械弯曲和变形条件下表现出稳定的电化学性能，展现出其在实际应用中的潜力。这种高度可逆且稳定的ZnP基负极将有助于开发可靠的柔性储能设备。