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)定性限制了其長(zhǎng)期循環(huán)性能和實(shí)際應(yīng)用。近日，吉林大學(xué)物理學(xué)院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。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Energy&Environmental Science》上。
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。
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。
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納米膜的水滲透率相比未修飾的PP隔膜降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在5mA/cm2的電流密度下，鋅負(fù)極可穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)10000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。
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，容量保持率遠(yuǎn)高于裸鋅電池。此外，在極端工況下該電池實(shí)現(xiàn)了65000次超長(zhǎng)循環(huán)壽命。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。
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