MCM-41分子筛梯度分布双功能隔膜用于高性能水系锌离子电池

研究简介

水系锌离子电池(AZIB)是大规模储能系统的有希望的候选者。然而，正极材料的溶解、锌负极的腐蚀和枝晶生长严重阻碍了其进一步发展。本文设计了一种具有梯度分布的MCM-41沸石的双功能隔膜，可以同时稳定正极和锌负极。具体而言，具有重沸石分布的一侧可以降低脱溶剂能垒并调节锌离子通量，从而抑制析氢反应（HER）及其相关副反应，并促进锌的均匀沉积。而具有轻沸石分布和相对致密聚合物的另一侧可以抑制VO2+的溶解和穿梭，从而实现V2O5正极的稳定循环。采用这种双功能隔膜组装的Zn//Zn对称电池的循环寿命超过2400小时(1mAcm−2，1mAhcm−2).采用商用V2O5作为正极材料的全电池在1Ag−1的电流密度下经过1000次循环后仍能保持212.5mAhg−1的高容量。这项工作为开发功能性隔膜以稳定正极和负极提供了一个有希望的方向。

图文导读

图示1. 示意图显示了双功能MZS隔膜如何稳定正极和Zn负极。

图1.a)MCM-41的XRD、b)TEM和c)HRTEM图。d)MZS的横截面SEM图。e)MZS-U和f)MZS-D的激光共聚焦形貌，以及 g、h)相应的光学图。i)MZS-U和j)MZS-D的接触角。

图2. a)分别采用GF和MZS隔膜的Zn//Zn对称电池的Tafel图和b)LSV曲线。c)在−150mV过电位下GF和MZS的计时电流曲线。MZS和GF隔膜的d)离子电导率和e、f)Zn2+迁移数的比较。g)Zn//Zn对称电池的倍率性能。h)Zn//Cu半电池的镀层/剥离。i)采用MZS和GF隔膜的Zn//Zn电池在1mAcm−2和1mAhcm−2下的循环稳定性。j)将本研究与最近报道的研究进行全面比较。

图3.锌负极与a)MZS-D、b)MZS-U和c)GF接触50次循环后的SEM图。锌负极与d)MZS-D、e)MZS-U和f)GF接触50次循环后的AFM图。锌负极与g)MZS-D、h)MZS-U和i)GF接触50次循环后的拉曼光谱。j)MZS的离子分布场模拟和k)MZS的电流密度场分布有限元模拟

图4.a)MZS和b)GF组装的Zn//Cu半电池在连续恒流放电条件下不同时间的EIS。分别使用c)MZS和d)GF隔膜对Zn//Zn对称电池进行DRT分析。e)使用MZS和GF隔膜的Zn//Cu半电池的过电位。f)不同隔膜条件下的活化能。g)原位拉曼装置示意图。h)MZS和i)GF隔膜在镀锌过程中电解液/锌界面的原位拉曼光谱。

图5.a)XRD和b)经过50次循环后具有不同隔膜的Zn负极的拉曼光谱。c)基于与不同隔膜接触的循环Zn负极的XPSAR+蚀刻分析的硫(S)元素含量。d)H2O光谱的FTIR光谱和拟合的强HB、中HB和弱HB曲线e)。f)2MZnSO4和MZS的ν-SO42−波段和O-H伸缩振动的拉曼光谱。g)MCM-41-H2O、MCM-41-Zn2+、P(VDF-co-HFP)-H2O、P(VDF-co-HFP)-Zn2+的结构和结合能。h)MCM-41-H2O和P(VDF-co-HFP)-Zn2+的静电势映射。i)在存在和不存在MCM-41和P(VDF-co-HFP)的情况下脱溶剂化过程的自由能。j)在存在MCM-41和P(VDF-co-HFP)的情况下Zn2+脱溶剂化的溶剂化结构演变。

图6. 使用配备a)GF和b)MZS隔膜的H型进行渗透实验，左腔中装有黄色V溶液，右腔中装有无色ZnSO4溶液。分别为GF和MZS隔膜的Zn//V2O5全电池的CV曲线c)、电压曲线d)和自放电测试e)。f)使用GF和MZS隔膜的Zn//V2O5全电池的倍率能力测试。g)在1Ag−1下在GF、MZS-UC和MZS-UA条件下对Zn//V2O5全电池进行循环稳定性测试。h)高质量负载为9.78mgcm−2的Zn//V2O5全电池的循环性能。i)使用MZS的软包电池供电的LED阵列的数码照片。

研究结论

本研究提出了一种新型梯度沸石分布隔膜，并展示了其同时稳定AZIBs阴极和阳极电极的潜力。与常用的GF隔膜相比，该沸石隔膜可显著提高AZIBs的电化学性能。对于阳极侧，一方面，具有重分布MCM-41沸石的MZS-D提供良好的亲水性，并且P(VDF-co-HFP)同时对Zn2+离子表现出强结合力，从而降低了脱溶剂能垒，抑制了HER和副产物的生成。另一方面，具有疏松多孔结构的重分布沸石还调节Zn2+离子的通量、电场和浓度场，促进锌的均匀沉积。对于阴极侧，具有轻分布MCM-41沸石和致密聚合物结构的MZS-U可以有效阻止V基化合物的溶解，从而实现稳定的阴极。通过这种协同效应，Zn//V2O5全电池在1Ag−1的电流密度下经过1000次循环后仍能保持212.5mAhg−1的高容量，远高于传统的GF隔膜。这种具有浓度梯度分布的沸石设计为高性能AZIB的开发开辟了道路，提供了新的视角。