新材料學院在復合膜調(diào)控水系鋅離子電池實現(xiàn)超長循環(huán)取得突破
??? 新材料學院2020年7月15日訊，我院潘鋒教授團隊在研究工作中取得重要進展。
? ? 水系鋅離子電池具有高安全性、低成本等優(yōu)勢，因而成為下一代具有產(chǎn)業(yè)化前景的儲能技術(shù)之一。但水系鋅離子電池商業(yè)化應(yīng)用面臨鋅負極上鋅枝晶生長、電解液析氫、堿式硫酸鋅副產(chǎn)物生成等問題。通常有機涂層可以有效阻止陰離子、自由水與鋅負極接觸，隔離陰離子可以有效緩解鋅離子沉積過程中陰離子聚集引起的空間電場不均問題，達到鋅離子均勻沉積的目的，同時還可以隔離陰離子、自由水與鋅負極接觸還可以有效抑制電池主要的副反應(yīng)，但目前采用的有機涂層缺乏鋅離子傳輸通道，導致電池極化增大，而水系鋅離子電池電化學窗口較窄，極化增大對水系鋅電池的發(fā)展非常不利。
?? ?近日，北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊研發(fā)了新型復合膜調(diào)控水系鋅離子電池實現(xiàn)超長循環(huán)壽命取得突破，相關(guān)成果發(fā)表在國際知名科技期刊《德國應(yīng)用化學》（Angewandte Chemie International Edition，doi 10.1002/ange.202005472）上。
? ?該新型復合膜是在鋅負極上原位重塑了Nafion-Zn-X復合膜，它不僅能有效阻止陰離子、自由水與鋅負極接觸，顯著抑制鋅枝晶和副反應(yīng)，而且該復合膜中的磺酸基可以與鋅離子配位，降低鋅離子脫溶劑化勢壘，并形成鋅離子傳輸通道，顯著降低鋅的沉積過電勢。測試結(jié)果顯示，帶有該復合膜層的鋅負極組裝的鋅對鋅對稱電池在5 mA cm-2(0.5 mAh cm-2)電流下鋅沉積過電位僅100mV，且可穩(wěn)定循環(huán)10000次。即使在10 mAh cm-2(1 mA cm-2)深度鋅沉積/剝離循環(huán)，仍能穩(wěn)定運行1000h以上。另外，該鋅負極組裝半電池的庫倫效率得到顯著改善，數(shù)次循環(huán)后可達97%。最后，將改進過的鋅負極組裝成全電池或電容器后，獲得了優(yōu)異的循環(huán)性能，說明該復合膜層具有極大的實用價值。
圖1. (a)純Zn、(c)Zn@Nafion和(d)Zn@Nafion-Zn-X負極上鋅沉積示意圖；(b)Zn-Nafion結(jié)構(gòu)、(e)Nafion與Zn-X橋聯(lián)作用示意圖。
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? ?文章在潘鋒教授指導下完成，共同第一作者是崔彥輝博士、趙慶賀博士、吳曉君博士，楊金龍博士、楊盧奕博士、潘鋒教授為該文章的通訊作者。該項工作得到國家自然科學基金、國家材料基因工程重點研發(fā)項目、廣東省重點實驗室、深圳市科學與技術(shù)研究基金、中國博士后科學基金等大力支持。
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鏈接https://doi.org/10.1002/ange.202005472
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