【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，吉林大學(xué)物理學(xué)院新型電池物理與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王義展教授課題組在水系鋅離子電池研究方面取得新進(jìn)展。研究成果以“Suppression of Interfacial Water Layer with Solid Contact by an Ultrathin Water Repellent and Zn²?Selective Layer for Ah-Level Zinc Metal Battery”為題，發(fā)表在《Energy & Environmental Science》上。
 

　　水系鋅金屬電池因其低成本、高安全性和環(huán)保特性，被認(rèn)為是未來(lái)儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要解決方案。然而，鋅負(fù)極的不穩(wěn)定性，包括不可控的枝晶生長(zhǎng)及副反應(yīng)，嚴(yán)重限制了其長(zhǎng)期循環(huán)性能和實(shí)際應(yīng)用。研究表明，鋅負(fù)極在沉積過(guò)程中易受析氫反應(yīng)(HER)的影響，導(dǎo)致能量效率降低和電極腐蝕。此外，界面水層的存在進(jìn)一步加劇了副反應(yīng)的發(fā)生，影響鋅離子的均勻沉積。為解決這一關(guān)鍵問(wèn)題，該研究提出了一種基于超薄、疏水且鋅離子選擇性的納米膜的新策略，以消除界面水層，提升鋅負(fù)極的穩(wěn)定性。
 

圖1. FeHCF納米膜的阻水與鋅離子傳導(dǎo)性能
 

　　該研究構(gòu)建了由雙十八烷基二甲基銨(DODA)和普魯士藍(lán)(FeHCF)組成的納米膜。DODA賦予膜層優(yōu)異的疏水性能，有效阻斷水分子滲透，而FeHCF的三維框架結(jié)構(gòu)和氧化還原活性鐵中心則充當(dāng)法拉第離子泵，促進(jìn)鋅離子高效傳輸。FeHCF納米膜顯著降低界面處的水分含量，減少析氫副反應(yīng)，提高鋅負(fù)極的庫(kù)侖效率。圖1直觀展示了FeHCF納米膜的阻水性能。研究人員通過(guò)H型容器擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eHCF納米膜的水滲透率僅為0.000028 mol m-2h-1Pa-1，相比未修飾的PP隔膜降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得Zn2+遷移數(shù)從裸鋅的0.41提高至0.76，確保鋅離子的快速傳輸。在5 mA cm-² 的電流密度下，鋅負(fù)極可穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)10,000次，庫(kù)侖效率高達(dá)99.91%。FeHCF納米膜顯著促進(jìn)了鋅離子的均勻沉積和剝離，從而提升了鋅負(fù)極的整體性能和循環(huán)壽命。
 

圖2.相關(guān)全電池性能測(cè)試
 

　　在實(shí)際電池測(cè)試中，該納米膜顯著提升了全電池的性能。采用FeHCF/Zn負(fù)極的Zn||I2電池在5 A g-1的高電流密度下可穩(wěn)定循環(huán)10,000次，容量保持率遠(yuǎn)高于裸鋅電池。此外，在109 mA cm-2(150 C倍率)極端工況下，該電池實(shí)現(xiàn)了65,000次超長(zhǎng)循環(huán)壽命，累積容量達(dá)31,319 mAh(圖2)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步組裝了Ah級(jí)軟包電池，以驗(yàn)證該技術(shù)的可擴(kuò)展性。FeHCF/Zn軟包電池在0.84 Ah放電容量下可穩(wěn)定循環(huán)500次，在1.31 Ah放電容量下也能維持40余次循環(huán)，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究為水系鋅電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了新的界面調(diào)控策略。通過(guò)消除界面水層并優(yōu)化Zn2+傳輸，F(xiàn)eHCF納米膜不僅有效提高了電池的循環(huán)壽命，還為將來(lái)可能的儲(chǔ)能應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支撐。
 

　　論文第一作者為吉林大學(xué)物理學(xué)院2022級(jí)凝聚態(tài)物理專(zhuān)業(yè)碩士研究生徐紫薇，通訊作者為吉林大學(xué)物理學(xué)院王義展教授、王春忠教授，大灣區(qū)大學(xué)趙康寧教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、吉林省自然科學(xué)基金和中央高校基本科研專(zhuān)項(xiàng)資金的大力支持。