湖南大学汪朝晖《AFM》：抗溶胀纳米纤维素隔膜提升水系电池循环性能

水系锌离子电池（AZBs）具有高安全性、环境友好性和低成本性，被视为非常有前景的下一代储能系统。然而，隔膜在水系电解液中可能吸水膨胀，导致离子传输孔道在循环过程中的坍塌或者无序化，影响锌金属循环效果。但隔膜溶胀现象极少被提及研究，相应的缓解策略欠缺。

鉴于此，湖南大学材料科学与工程学院汪朝晖教授课题组联合西北工业大学马越教授，讨论了锌离子电池（AZB）中隔膜溶胀-孔隙结构-离子通路-金属沉积之间的构效关系，并制备了具有稳定离子传输通路的抗枝晶纳米纤维素隔膜。具体而言，通过Zr4+的原位水解，这项工作开发了由Zr4+-水解物包覆的纳米纤维素（Zr-CNF）组成的多功能隔膜，由于Zr4+交联和氢键屏蔽效应，该型隔膜体现出优异的抗溶胀性、孔隙结构稳定性。因此，均匀的锌离子通量、高离子传导率和Zn2+转移数在循环过程中得以保持。此外，具有压电效应的非晶态Zr-O涂层在隔膜周围诱导出一个均匀的定向电场，加速了Zn2+的流入，降低了成核过电位，并促进了Zn沉积的均匀成核。因此，Zr-CNF抗溶胀隔膜稳定了锌金属负极，实现了高库仑效率（99.7%）和在5 mA cm-2/5 mAh cm-2条件下680小时的稳定循环性能。Zr-CNF隔膜的可行性也在基于PANI/V2O5的AZBs和基于活性碳的锌离子电容器中均得到了验证。总体而言，这项研究解耦了隔膜溶胀与离子通路的相关关系，报道了一种新颖的抗溶胀抗枝晶纤维素隔膜，为研发高效和可持续的水系电池提供了新思路。

文章要点：

1.这项强调了隔膜溶胀对水系电池循环性能的影响。发展了一种新型的Zr4+配位、抗膨胀、离子筛分的纳米纤维素隔膜，以实现无枝晶锌金属的沉积。

2.通过用Zr4+原位水解羧基纳米纤维素，可形成无定形的含Zr-O的涂层，以屏蔽纳米纤维素表面的氢键并使纳米纤维交联起来。这个过程扩大了纳米纤维素网络的孔径，抑制了隔膜在水系电解液中的膨胀和变形，并进一步确保了Zn2+通量的均匀性。

3.此外，含Zr-O的涂层诱发了界面极化效应，并通过Maxwell-Wagner极化在界面周围形成均匀的定向电场，抑制了锌金属的腐蚀。

4.Zr-CNF隔膜能实现均匀且稳定的离子传输通路，促使循环时能够实现无枝晶和紧凑的锌沉积。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202304280

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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