【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)教育部重點實驗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)為是未來儲能領(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及副反應(yīng)，嚴(yán)重限制了其長期循環(huán)性能和實際應(yīng)用。研究表明，鋅負(fù)極在沉積過程中易受析氫反應(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H型容器擴(kuò)散實驗發(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隔膜降低了一個數(shù)量級。實驗測得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10,000次，庫侖效率高達(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)全電池性能測試
 

　　在實際電池測試中，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，該電池實現(xiàn)了65,000次超長循環(huán)壽命，累積容量達(dá)31,319 mAh(圖2)。研究團(tuán)隊進(jìn)一步組裝了Ah級軟包電池，以驗證該技術(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。這項研究為水系鋅電池的長期穩(wěn)定運行提供了新的界面調(diào)控策略。通過消除界面水層并優(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，還為將來可能的儲能應(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級凝聚態(tài)物理專業(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項資金的大力支持。