中南大学锌电池InfoMat: 功能化隔膜通过金属-聚多巴胺配位化学实现无枝晶锌负极

【研究背景】

水系锌离子电池由于其有显著的安全性好和成本低等优点，在大型电化学储能领域拥有较好的的发展前景。然而其实际应用仍受限于严重的锌枝晶和副反应等问题。隔膜的结构和性能对实现稳定的锌电镀/剥离行为发挥着重要作用，开发具有特殊结构和功能设计的高性能隔膜有助于引导锌离子的均匀沉积，进而提高水系锌离子电池的寿命。 聚多巴胺修饰被认为是目前最容易和最通用的表面改性方法之一，聚多巴胺中丰富的官能团可与金属离子形成配位键，促进离子的协同作用和均匀扩散，在锌离子电池隔膜制备方面具有很大的应用潜力 。

【工作介绍】

近日，中南大学 周江教授、唐艳副教授 等人在国际知名期刊 InfoMat 上发表了题为“ A functionalized separator enables dendrite-free Zn anode via metal-polydopamine coordination chemistry ”的研究性论文。 基于静电纺丝和聚多巴胺修饰，设计了一种应用于水系锌离子电池的功能化纳米纤维隔膜（PVDF@PDA）。 一方面，隔膜中丰富的官能团（-OH和 -NH-）促进了Zn-O和Zn-N配位键的形成，有助于均匀锌离子通量，实现锌离子均匀沉积。另一方面，PVDF@PDA隔膜通过形成V-O配位键有效地抑制了钒穿梭通过隔膜，从而进一步保护锌负极。因此，PVDF@PDA隔膜提高了Zn/NH ₄ V ₄ O ₁₀ 电池的倍率性能和循环稳定性（5 A g ^-1 下循环1000次后的容量保持率为92.3%）。

【内容表述】

图1A说明了通过静电纺丝和聚多巴胺修饰方法制备PVDF@PDA隔膜的过程。结合扫描、红外、拉曼等分析手段进一步验证了PVDF@PDA隔膜的结构成分。PVDF@PDA隔膜的厚度为170μm，远低于普通玻璃纤维（GF）隔膜的厚度（640μm），并且具有优异的亲水性和抗拉强度。

图1 PVDF@PDA隔膜的设计与表征。

图2 PVDF@PDA隔膜和GF隔膜的电化学性能对比和相应表征。

为了进一步证实PVDF@PDA隔膜在水系锌离子电池中的应用，使用该隔膜与NH ₄ V ₄ O ₁₀ 正极材料组装成扣式电池，对其进行电化学性能测试。PVDF@PDA隔膜相较于GF隔膜表现出更好的电化学稳定性和倍率性能。在2 A g ^-1 的电流密度下，使用PVDF@PDA隔膜的全电池经过300圈循环后的Zn负极表面仍保持光滑和平整。在Zn/NH ₄ V ₄ O ₁₀ 电池首圈充电至1.4 V后，使用GF隔膜的Zn负极表面检测到了钒元素，但是使用PVDF@PDA隔膜的Zn负极表面没有，这表明PVDF@PDA隔膜有效地抑制了钒穿梭通过隔膜。

图3 PVDF@PDA隔膜对锌沉积行为和钒穿梭行为的影响。

通过对XPS图谱和密度泛函理论（DFT）计算结果的分析，可以发现-OH和-NH-官能团具有很强的亲锌性，会形成Zn-O和Zn-N配位键，使得锌离子通量均匀分布，从而达到引导锌均匀沉积的作用。同时-OH官能团和钒之间存在较强的作用，形成V-O配位键，有利于抑制钒的穿梭。

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