纤维素复合隔膜用于高倍率 长寿命锌离子电池

研究简介

水系锌离子电池(AZIB)因其安全性和成本效益而备受青睐，但其存在锌枝晶生长和副反应等问题，导致其寿命缩短。本文以羧酸剑麻纤维(CSF)和磺化棉纤维(SCF)为原料，经柠檬酸(CA)交联，制备了用于AZIB的复合隔膜(CSC)。CSC具有优异的稳定性(包括高机械强度、宽pH值耐受性和抑制析氢性能)，并具有较高的锌离子迁移数(tZn2+=0.70)，使其具有卓越的电化学性能。采用CSC的Zn//Zn电池在5mAcm–2和20mAcm–2下的循环寿命分别超过6400小时和400小时。Zn//MnO2全电池在5Ag-1(∼16C)电流密度下循环10000次后，容量保持率为92.85%，显著优于玻璃纤维(GF)等商用隔膜（AZIB）中广泛使用的隔膜。本研究提出了一种高效且简单的隔膜设计策略，以实现长循环、高倍率的AZIB。

图文导读

图1.(a)CSC隔膜制备示意图。(b)采用不同CSC隔膜的SS//SS电池的EIS图。(c)CSC隔膜横截面的SEM图。(d)CSC结构单元的优化几何建模。(e)CSC结构单元的静电势ESP分布

图2.(a)Zn//Zn对称电池的i-t曲线(-150mV；插图：锌表面不规则的二维扩散和均匀的三维扩散)。(b)Zn//Ti电池的LSV曲线。(c)Tafel曲线，(d)Arrhenius曲线，以及(e)使用CSC、GF和AD隔膜组装的Zn//Zn对称电池的CV曲线。(f)不同隔膜的tZn2+。电流密度和面积容量分别为(g)1mAcm–2、0.5mAhcm–2、(h)2mAcm–2、1mAhcm–2、(i)5mAcm–2、2.5mAhcm–2和(j)20mAcm–2、10mAhcm–2的Zn//Zn对称电池的恒流循环曲线。

图3.(a)CSC隔膜中不同位点和水分子与Zn2+之间结合能的DFT计算简化模型。(b)CSC隔膜中Zn2+的迁移能垒。(c)脱溶剂过程中结合能的变化(1a.u.=27.2114eV)。(d)GF、AD和CSC隔膜在锌沉积机制中的作用

图4.Zn//Zn对称电池在电流密度1mAcm–2下循环100次和500次后，分别使用(a,d)CSC、(b,e)GF和(c,f)AD隔膜的SEM图。Zn//Zn对称电池在电流密度1mAcm–2下循环100次和500次后，分别使用(g,j)CSC、(h,k)GF和(i,l)AD隔膜的AFM图。裸锌箔和锌箔在(m)100次和(n)500次循环后的XRD。

图5.Zn//MnO2全电池电化学性能测试：(a)CV曲线（扫描速率0.5mVs–1）。(b)EIS曲线。(c)倍增曲线。在电流密度(d)1Ag–1和(f)5Ag–1时观察到长循环性能。使用CSC隔膜，在电流密度(e)1Ag–1和(g)5Ag–1时获得充放电曲线。

研究结论

本研究通过棉和剑麻纤维的物理和化学交联，开发出一种用于AZIB的稳定性优异的复合隔膜(CSC)。这种双交联网络赋予CSC卓越的机械强度、优异的pH耐受性和有效的析氢抑制性能。CSC中丰富的亲水和亲锌官能团通过强氢键相互作用显著降低水活度，增强Zn2+的转移（tZn2+=0.70），抑制枝晶形成，并确保超稳定的电化学循环性能，这些对于开发高性能AZIB隔膜至关重要。基于这些优异的性能，用CSC组装的Zn//Zn电池具有极长的循环寿命（5mAcm-2时>6400小时，20mAcm-2时>400小时）。采用CSC组装的Zn//MnO2全电池在1Ag-1电流密度下循环10000次后，比容量仍保持97.22mAhg-1，容量保持率为71.13%。即使在5Ag-1电流密度下，该电池在超过10000次循环中仍表现出高度稳定的循环性能，容量保持率高达92.85%。这种绿色、简便的制备方法，结合多功能集成隔膜的创新设计，为开发高性能AZIBs提供了新的思路。