阴离子增强纳米纤维素隔膜抑制Zn-I2电池中的锌枝晶和多碘化物穿梭

研究简介

Zn-I2电池因其固有的安全性、环境兼容性、快速的反应动力学和小的电压滞后而成为有前途的下一代储能系统。然而，两个关键挑战，即锌枝晶生长和多碘化物穿梭效应，严重阻碍了它们的商业可行性。为了克服这些限制，本研究开发了一种由稻草衍生的羧化纳米纤维素制成的多功能隔膜，并通过加入阴离子聚丙烯酰胺进一步增强了它的负电荷密度。这种改性同时提高了隔膜的机械性能、离子电导率和Zn2+离子迁移数。值得注意的是，尽管其厚度仅为20μm，但这种经过设计的隔膜仍表现出卓越的枝晶抑制和寄生反应抑制能力，使Zn//Zn对称电池实现了令人印象深刻的循环寿命(在2mAcm−2/2mAhcm−2下>1800小时)，同时即使在超高面积容量（25mAhcm−2）下也能保持稳健的性能。此外，隔膜的阴离子特性通过静电排斥有效阻止了多碘化物的迁移，使锌碘电池具有出色的倍率性能（5Ag-1时容量为120.7mAhg-1）和优异的循环性能(10,000次循环后容量保持率为94.2%)。即使在锌缺乏条件下以及软包电池配置下，也能实现卓越的循环稳定性。这项工作为通过合理的隔膜工程设计高性能锌基储能系统建立了新的范例。

图文导读

图1.制造过程和表征结果。aTOCN-A隔膜制造示意图。bSCF、TOCN和TOCN-A分散体的Zeta电位值。cTOCN-A隔膜的SEM图和相应的EDX映射图以及d横截面SEM图。eSCF、TOCN和TOCN-A隔膜的FTIR和f应力-应变曲线。g大面积TOCN-A隔膜的照片。

图2. DFT计算结果和锌的剥离/镀覆行为。纤维素或APAM与aZn2+阳离子和bSO42−阴离子的结合能值。cSCF、TOCN和TOCN-A隔膜的离子电导率值。dCA曲线和相应的奈奎斯特图，e过电位为 - 200mV时的CA曲线，fArrhenius曲线和相应的活化能值，以及g带有SCF、TOCN和TOCN-A隔膜的Zn//Zn电池的CCD评估。h带有SCF、TOCN和TOCN-A隔膜的Zn//Cu电池的电压-时间曲线和相应的成核过电位值以及iCE演变。

图3.Zn//Zn电池研究。在a2mAcm−2、2mAhcm−2和b5mAcm−2、25mAhcm−2条件下，分别采用SCF、TOCN和TOCN-A隔膜的Zn//Zn电池的循环性能。c原始Zn电极和使用不同隔膜的循环Zn电极的XRD。d - f循环后Zn电极的AFM图像和g - iSEM图：d、g使用SCF隔膜，e、h使用TOCN隔膜，f、i使用TOCN-A隔膜。10mAcm−2镀锌过程中Zn电极的原位光学显微镜图：j使用SCF隔膜，k使用TOCN隔膜，l使用TOCN-A隔膜。

图4.多碘化物穿梭研究。在H型电池中，通过aSCF隔膜、bTOCN隔膜和cTOCN-A隔膜对多碘化物穿梭进行目视观察。对应于I3-浓度紫外可见光谱的三维映射图投影：d使用SCF隔膜，e使用TOCN隔膜，f使用TOCN-A隔膜

图5.Zn-I2电池的电化学性能。a带有SCF、TOCN和TOCN-A隔膜的Zn-I2电池在2Ag−1下的倍率性能和b循环性能。c本研究中使用TOCN-A隔膜的循环性能与之前研究中的比较。d在2Ag−1和2.19的低N/P比下，带有SCF、TOCN和TOCN-A隔膜的Zn-I2电池的循环性能。e带有TOCN-A隔膜的软包电池在1Ag−1下的循环性能。f利用带有TOCN-A隔膜的软包电池照亮LED灯板的照片。

研究结论

本研究开发了一种阴离子增强、源自稻草的羧基功能化纳米纤维素隔膜(TOCN-A)，以同时解决Zn-I2电池中的阴极和阳极难题。经过设计的隔膜表现出卓越的多功能特性：出色的拉伸强度(147MPa)、明显的负表面电位(-66.4mV)、超薄轮廓(20μm)、优异的离子电导率(14.3mScm-1)和较高的Zn2+离子迁移数(0.45)。带负电荷的羧基赋予TOCN-A隔膜高锌亲和力和有效的SO42-排斥力，有助于调节Zn2+离子传输、限制锌电极表面的平面Zn2+离子扩散、促进脱溶过程并降低成核过电位，从而确保均匀的锌沉积并显着抑制寄生反应。实验评估表明，TOCN-A隔膜显著延长了Zn//Zn电池的循环寿命，在2mAcm−2和2mAhcm−2下可达到1800小时以上，在5mAcm−2和25mAhcm−2的极端条件下可达到300小时。此外，TOCN-A隔膜中丰富的负电荷可以有效抑制多碘穿梭效应。因此，基于TOCN-A隔膜的Zn-I2电池在0.2Ag−1时可提供214.9mAhg−1的大容量，高倍率性能（5Ag−1时为120.7mAhg−1）和优异的循环稳定性（10,000次循环中的容量保持率为94.2％）。并且在缺锌、高碘负载和软包电池配置下仍可实现良好的循环稳定性。总体而言，这项研究不仅为Zn-I2电池提供了可持续的隔膜材料，而且为先进储能系统的隔膜设计提供了新的见解。