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湖大汪朝晖/西工大马越ESM:纤维素介导多尺度离子筛分隔膜用于水系锌电池

日期: 来源:能源学报收集编辑:Hope
设计了一种异质结构设计的多尺度离子筛分隔膜,该隔膜具有理想的大介分子孔,可以提供选择性的Zn2+渗透性和均匀的Zn2+分布在隔膜-电极界面,以实现耐用的水性锌离子电池(azb)。该隔膜由中间纳米纤维素层聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)上层叠加在玻璃纤维衬底上制成,其中纳米纤维素层含有均匀的中孔,有利于均匀的Zn2+通量,而PEDOT:PSS层具有固有的离子/电子导电性和丰富的磺酸基,使电场分布均匀,抑制阴离子迁移。将介孔纳米纤维素阳离子渗透性强的PEDOT:PSS相结合用于异质结构隔膜,具有较高的离子迁移数和快速的Zn2+脱溶动力学。这种独特的隔膜可在4 mA cm−2/8 mAh cm−2条件下实现高度致密和无枝晶锌沉积,并在10 mA cm−2/4 mAh cm−2条件下维持对称Zn||锌电池超过400小时。这种优势为具有13.0 mg cm−2高I2质量负载阴极的全azb带来了显著的可逆性,1000次循环后放电容量为172.1 mAh g−1。这种多尺度离子筛分设计原理为超稳定锌金属电池的隔膜工程提供了新的思路。

图文简介

(a)描述异质结构功能隔膜的制备及其离子输运行为的示意图。扫描电子显微镜(SEM)图像:(b) NGF和(c) PNGF隔膜。插图分别显示NGF和PNGF隔膜的光学照片。(d)原子力显微镜(AFM)图像和(e) PNGF分离器的截面扫描电镜图像。(f) PNGF隔膜S2p的x射线光电子能谱(XPS)。(g) PNGF隔膜在2 M ZnSO4电解液中浸泡前后Zn2p的XPS谱。

(a) Zn2+在-SO3−和-S基团上吸附的优化配置。(b) -SO3−和-S基团与Zn2+的结合能。(c)由Arrhenius方程估算不同隔膜的对称Zn||锌电池的表观脱溶活化能。带(d) GF、(e) NGF和(f) PNGF隔膜的对称Zn||锌电池极化时电流-时间曲线插图:极化前后对应电池的EIS图。在I3−/ZnSO4溶液中覆盖(g) GF和(h) PNGF隔膜的Zn箔7天后的SEM图像。(i)各种锌箔在I3−/ZnSO4溶液中浸泡7天后的XRD图谱。(j)分别使用GF、NGF和PNGF隔膜的玻璃电池中I3 -物种扩散过程(1 M zn2 /0.1 M I2溶液)的光学照片。

分别基于(a) GF、(b) NGF和(c) PNGF隔膜,在3 mA cm−2/1.2 mAh cm−2下循环50次后,Zn||Cu半电池中Cu电极的SEM图像。分别基于(d, g) GF、(e, h) NGF和(f, i) PNGF隔膜,在4mA cm−2下沉积容量为8 mAh cm−2的Cu电极的SEM图像。

分别采用(a) GF、(b) NGF和(c) PNGF隔板模拟Zn阳极上的电场分布。分别基于(d) GF、(e) NGF和(f) PNGF分离剂,模拟了对称Zn||锌电池中的Zn2+浓度场模型。PNGF隔膜/Zn电极界面(g)电场分布和(h)离子调节示意图。分别研究了(i) GF、(j) NGF和(k) PNGF分离剂对Zn阳极的镀锌行为。

基于GF、NGF和PNGF隔膜的Zn||LMO电池的电化学性能分别为:(a) 2 mV s−1时的循环伏安(CV)曲线,(b) 80次循环后的EIS图,(c)倍率性能,(d) 1 c时的循环性能和(e) 100次循环时的比充放电曲线。基于不同隔膜的Zn||I2电池的电化学性能:(f)速率性能和(g) 1.5 A g−1的循环性能。分别使用(h) GF、(i) NGF和(j) PNGF隔膜的锌||I2电池中循环锌阳极的SEM图像。

论文信息

论文题目:A Nanocellulose-Mediated, Multiscale Ion-Sieving Separator with Selective Zn2+ Channels for Durable Aqueous Zinc-based Batteries

通讯作者:汪朝晖,马越

通讯单位:湖南大学,西北工业大学


小编有话说:本文仅作科研人员学术交流,不作任何商业活动。由于小编才疏学浅,不科学之处欢迎批评。如有其他问题请随时联系小编。欢迎关注点赞,转发,欢迎互设白名单。投稿、荐稿polyenergy@163.com

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