【原】胡良兵《AFM》：用于稳定、高倍率锌离子电池的纤维素电解质！

材料科学网 2023-05-29 发布于江西

展开全文

电池技术将通过更充分地利用可再生能源，在脱碳和克服全球变暖的努力中发挥关键作用。水系锌离子电池(ZIBs)是用于电网规模可再生能源存储的最有前途的电池储能设备之一。然而，它们的应用受到诸如锌枝晶形成和在过量游离水分子和离子存在下可能发生的不良副反应等问题的限制。目前，已经有大量研究探索了电解液改性促进可逆镀锌的方法。然而，这种液体电解质不能提供额外的机械强度来防止高电流密度下的枝晶生长。为了解决这一问题，水凝胶电解质被开发出来，其特点是具有更致密的结构，有助于抑制锌枝晶的生长。

在此，来自马里兰大学的胡良兵团队展示了一种纳米纤维素-羧甲基纤维素(CMC)电解质，该电解质具有高离子电导率、机械强度和低游离水含量，可实现高倍率和长循环寿命的水系ZIBs。其中，稳定的循环性能和高Zn²⁺电导率(26 mS cm^-1)归因于材料的强机械强度(≈70 MPa)和水-结合能力。使用这种电解质，锌金属负极在超高倍率下表现出出色的循环稳定性，能够在高达80 mA cm^-2的电流密度下循环超过3500次，累积容量为17.6 Ah cm^-2(40 mA cm^-2)。此外，由于CMC的强水键合能力，副反应(例如析氢和表面钝化)大大减少。用这种电解质制备的全Zn||MnO₂电池表现出优异的高倍率性能和长期循环稳定性(在8C下循环超过500次)。相关论文以题为“Nanocellulose-Carboxymethylcellulose Electrolyte for Stable, High-Rate Zinc-Ion Batteries”发表在Advanced Functional Materials上。

论文链接：

https:///10.1002/adfm.202302098

图1. 含水锌离子电池用纤维素-CMC电解质。A) 当电解液膜由纯纤维素制成时，要么游离水过多导致副反应，要么干燥后水分过少导致Zn²⁺电导率低。B) 相比之下，在纤维素基质中加入CMC，经过挤压干燥过程，以减少游离水分子的数量，减轻副反应，CMC链上仍有水分子结合，这使得Zn离子能够运输。

图2. 纤维素-5 wt.% CMC电解质的表征。A) 纤维素-CMC电解质的图片。B) 纤维素-5 wt.% CMC电解质表面形貌的SEM图像。C) 纤维素-5 wt.% CMC膜NaOH处理前后的XRD图谱。D) 不同NaOH处理的纤维素-CMC膜(0-8 wt.%)的拉伸试验。E) 湿玻璃纤维隔膜以及各种纤维素-CMC膜(0-5 wt.% CMC)在不同干燥条件下的离子电导率。

图3. 纤维素-5 wt.% CMC膜对Zn枝晶生长的抑制作用。A) 2 M ZnSO₄水电解质和B) 纤维素-5 wt.% CMC电解质制备的Zn||Zn电池循环50次后，锌阳极上的镀层形貌。C) 与2 M ZnSO₄水溶液电解质(带玻璃纤维隔膜)和纤维素-5 wt.% CMC电解质循环后的锌箔，以及未循环的原始锌箔的XRD图谱。用D) 水电解质和E) 纤维素-5 wt.% CMC电解质在Zn阳极上镀锌示意图。

图4. 镀锌/剥锌的电化学性能。A) Zn||Zn对称电池使用纤维素-5 wt.% CMC电解质和带玻璃纤维隔膜的水性电解质电镀/剥离锌。B) 使用纤维素-5 wt.% CMC电解质在80 mA cm⁻²和4 mAh cm⁻²条件下对Zn||Zn对称电池进行镀锌/剥离。C) 使用纤维素-5 wt.% CMC电解质和其他报道的电解质组装的Zn||Zn对称电池在电流密度和累积容量方面的性能比较。D) Zn||Cu非对称电池在10 mA cm⁻²和2 mAh cm⁻²条件下的镀锌/剥锌。

图5. 用纤维素-5 wt.% CMC电解液制备Zn||MnO₂全电池的电化学性能。A) 使用纤维素-5 wt.% CMC电解质在8℃时Zn||MnO₂电池的恒流充放电电位曲线。B) 使用纤维素-5 wt.% CMC电解质在8℃时Zn||MnO₂电池的容量和库仑效率。C) 使用纤维素-5 wt.% CMC电解质在不同倍率下Zn||MnO₂电池的恒流充放电电位曲线。D) Zn||MnO₂电池使用纤维素-5 wt.% CMC电解质的倍率性能。

总的来说，本研究证明了纤维素-CMC电解质的优异性能。纤维素-CMC电解质来源于容易获得的低成本天然材料，并通过简单的NaOH处理和简单的混合和真空过滤方法制备。含有5 wt.% CMC的纤维素-CMC电解质表现出高达70 MPa的高机械强度和出色的结合水分子的能力，不仅导致高离子电导率，而且副反应较少。这些特性使Zn在高达80 mA cm⁻²的电流密度下进行超过3500次循环的超快速电镀/剥离，在很大程度上不形成枝晶和副反应。此外，用纤维素-CMC电解液制备的Zn||MnO₂全电池表现出优异的循环性能(在8C下循环500次后容量保持95%)和倍率性能。考虑到低成本、可持续性、固有安全性(与可燃有机基体系相比，具有低热失控风险)以及与Zn||MnO₂全电池的兼容性和优异电化学性能，纤维素-CMC电解质在锌离子电池方面具有巨大潜力，为可再生能源的电网储能应用铺平了道路。(文：Meiko)。