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杨学林教授、张新宇教授、秦家千研究员CEJ：低成本隔膜通过加速去溶剂化作用实现高度稳定的锌阳极

时间：2023-12-17 来源：浏览：

杨学林教授、张新宇教授、秦家千研究员CEJ：低成本隔膜通过加速去溶剂化作用实现高度稳定的锌阳极

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文章信息

低成本隔膜通过加速去溶剂化作用实现高度稳定的锌阳极

第一作者：曹金

通讯作者：杨学林*、张新宇*、秦家千

单位：三峡大学、燕山大学、朱拉隆功大学

研究背景

近年来，锂离子电池（LIBs）长期以来在二次能源市场中占主导地位，但由于LIBs的组件成本高昂且安全性较低，导致其在大规模或电网级设备中的应用受到限制。水系锌离子电池（ZIBs）因其低成本、高安全性和出色的离子电导率，被认为是下一代储能电池的理想选择之一。然而，水性锌离子电池(ZIBs)的实际应用却受到了多种问题的限制，比如枝晶生长、析氢、腐蚀以及副产物的生成。因此，研究设计一种低成本的，能够抑制锌枝晶和界面副反应的隔膜，可以促进水系锌离子电池的发展。

文章简介

近日， 来自三峡大学杨学林教授、燕山大学张新宇教授、朱拉隆功大学秦家千研究员 ，在国际知名期刊 Chemical Engineering Journal 上发表题为 “A low-cost separator enables a highly stable zinc anode by accelerating the de-solvation effect” 的研究论文。该观点文章通过将纤维素纳米纤维（CNF）和硅酸锂镁（LMS）混合制备出低成本的CNF+LMS隔膜，该隔膜可以加速去溶剂化过程和促进均匀的锌沉积来消除锌枝晶。实验结果和理论计算证实，由于LMS分子优异的水吸附能力，采用CNF+LMS隔膜的电池表现出较低的去溶剂化活化能（44.13 kJ mol−1）和更快的去溶剂化动力学。此外，CNF+LMS隔膜还具有优异的润湿性、较大的拉伸强度和优异的离子电导率，从而实现无枝晶锌沉积、长循环寿命（1 mA cm ⁻² 下1000小时；5 mA cm ^-2 下500小时）。更重要的是，CNF+LMS隔膜的成本低至每平方米6.36元，远低于目前商用和已经报道的隔膜。而且CNF+LMS隔膜也可用于Zn||VO ₂ 全电池和软包电池，以提高其电化学性能。考虑到制备简便、成本低和实际可行性，CNF+LMS分离器为开发实用的ZIBs提供了新的发展机会。

Scheme 1 Schematic illustrations for Zn deposition with CNF and CNF+LMS separators.

本文要点

要点一：CNF+LMS隔膜制备简单，离子电导率和机械性能明显提高

CNF+LMS隔膜通过简单混合纤维素纳米纤维和硅酸镁锂粉末，混匀后浇注在表面皿中，干燥后得到。制备的CNF+LMS隔膜的离子电导率和机械性能较纤维素隔膜有明显提升。

Figure 1 (a) Synthesis process of CNF+LMS separator. (b) XRD pattern, (b) FTIR spectrum of CNF and CNF+LMS separator. SEM images of (d) (e) CNF and (f) (g) CNF+LMS separators. (h) Stress–strain curves, (i) EIS plots and (j) ionic conductivity of CNF and CNF+LMS separator.

要点二：CNF+LMS隔膜改善对称电池、全电池、软包电池的电化学性能

使用CNF+LMS隔膜组装的Zn//Zn对称电池，在电流密度为1 mA cm ^-2 以及面容量为0.5 mAh cm ^-2 的条件下，对称电池可以稳定循环1000小时之久，并且具有优异的库伦效率99.12%，表现出明显的高可逆性和稳定性。在不同电流密度下，对称电池使用CNF+LMS隔膜时依旧表现良好。另外，全电池和软包电池的电化学性能也得到明显提高。

Figure 2 Cycling stability of Zn||Zn symmetric batteries with CNF and CNF+LMS separators at (a) 1 mA cm ^-2 (0.5 mAh cm ^-2 ) and (b) 5 mA cm ^-2 (2.5 mAh cm ^-2 ). (c) Rate performance of Zn||Zn symmetric batteries with CNF and CNF+LMS separators. (d) CE of Zn||Ti asymmetric batteries with CNF and CNF+LMS separators at 1 mA cm ^-2 (1 mAh cm ^-2 ). Potential-capacity graphs of Zn||Ti asymmetric batteries with (e) CNF and (f) CNF+LMS separators at 1 mA cm ^-2 (1 mAh cm ^-2 ).

Figure 3 (a) Rate capacities of the Zn||VO ₂ batteries with CNF and CNF+LMS separators. (b) Charge/discharge curves of Zn||VO ₂ battery with CNF+LMS separator. (c) CV curves of Zn||VO ₂ batteries with CNF and CNF+LMS separators at 0.1 mV s-1. (d) Cycling performance of Zn||VO ₂ batteries with CNF and CNF+LMS separators. (e) Photo of the Zn||VO ₂ pouch cell. (f) Cycling stability of Zn||VO ₂ pouch cell with CNF+LMS separator. (g) Comparison of the cost of CNF+LMS separator and commercial glass fiber.

要点三：CNF+LMS隔膜促进可逆锌沉积/剥离，抑制锌枝晶

通过一系列电化学测试和表征手段充分验证了CNF+LMS隔膜对稳定锌负极的积极作用，从而获得了平整、均匀、致密的锌负极。

Figure 4 SEM images of Zn anode surface after 50 cycles with (a) (b) CNF separator and (d) (e) CN+LMS separator. Cross-section image of Zn anode after 50 cycles with (c) CNF separator and (f) CN+LMS separator. 3D measuring laser microscope images of Zn anodes with (g) CNF and (h) CNF+LMS separators. In-situ optical observation of Zn anodes when plating with (i) CNF and (j) CNF+LMS separator.

要点四：CNF+LMS隔膜加速去溶剂化过程，抑制界面副反应

通过三电极测试和锌片表面的检测，证实CNF+LMS隔膜能够有效抑制析氢、腐蚀和界面副产物。主要原因是CNF+LMS隔膜中LMS与水具有强结合能力，可以促进锌离子溶解化结构中的水分子的去溶剂化过程，从而减少活性水分子对锌阳极的侵蚀，从而提高锌阳极的稳定性。

Figure 5 (a) Tafel plots, (b) LSV curves of the configurations with CNF and CNF+LMS separators. (c) XRD patterns of Zn anodes after 50 cycles with CNF and CNF+LMS separators. (d) The variable temperature EIS of the cell with CNF+LMS separator. (e) Calculated activation energy in the configurations with CNF and CNF+LMS separators. (f) Calculated adsorption energy of LMS-Zn ² ⁺ , Zn ² ⁺ -H ₂ O and LMS-H ₂ O.

文章链接

A low-cost separator enables a highly stable zinc anode by accelerating the de-solvation effect

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147980

第一作者简介

曹金，三峡大学材料与化工学院校聘副教授，2022年博士毕业于泰国朱拉隆功大学，香港城市大学访问学者。主要从事水系储能器件相关的研究，以第一作者/通讯作者在Energy Environmental Science，Advanced Energy Materials (2篇)，Advanced Functional Materials (2篇)，Nano Energy (3篇)，Applied Catalysis B: Environmental，Chemical Engineering Journal等国际学术期刊上发表论文30余篇，5篇入选高被引论文，2篇入选热点论文，总被引2300余次。主持承担湖北省自然科学基金、国家重点实验室开放课题、三峡大学人才启动经费等项目。担任《eScience》、《Advanced Powder Materials》和《Journal of Metals, Materials and Minerals》等期刊青年编委。

通讯作者简介

杨学林 ，二级教授，博士生导师，中国固态离子学会副秘书长，湖北省电池标准化技术委员会副秘书长，湖北省杰出青年基金获得者，省政府专项津贴专家，储能新材料湖北省工程实验室主任，三峡大学材料与化工学院党委书记、分析测试中心主任、储能技术研究院院长。2007年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，同年加入三峡大学从事储能电池材料研究。主持承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、湖北省技术创新重大专项、湖北省自然科学基金创新群体、湖北省杰出青年基金等项目20余项；发表高水平学术论文150余篇，获授权发明专利40余项；先后获得湖北省技术发明奖、自然科学奖与湖北高校十大科技成果转化项目等奖励，与企业共建新型石墨材料国家地方联合工程研究中心、储能新材料湖北省工程实验室等科技平台，为宜昌新能源和新材料产业创新发展起到了积极的推动作用。

张新宇 ，博士，燕山大学教授，博士生导师，主要从事新型亚稳材料设计开发及服役研究工作。包括新型结构材料设计开发、金属能源材料和计算模拟等研究方向。发表SCI收录论文200多篇，获批国家发明专利40多项。获多项国家和省部级科技奖励，主持多项国家自然科学基金，863等多项课题。

秦家千 ，博士，泰国朱拉隆功大学研究员，博士生导师，长期从事新材料的制备与应用的研究工作，已在国际一流刊物上发表论文100余篇，申请专利30余项，已获授权专利15项。目前担任Advanced Powder Materials, Scientific Reports和Journal of Metals, Materials and Minerals编委。秦家千博士领导的能源转换与储存实验室主要从事储能材料及新型电池技术的研究与开发。实验室目前得到泰国能源部，泰国国家研究基金理事会(National Research Council of Thailand), 泰国国家科学与技术发展局(National Science and Technology Development Agency)，朱拉隆功大学的energy storage cluster, Center of Excellence on Advanced Materials for Energy Storage, Center of Excellence in Responsive Wearable Materials等项目支持，已具有先进电池实验所需所有设备。本实验室有一定朱拉隆功大学C2F奖学金支持的博士后和博士生名额，欢迎咨询:jiaqian.q@chula.ac.th。