大連化物所開發(fā)出Janus水凝膠電解質(zhì)膜用于高性能鋅離子電池

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室無機(jī)膜與催化新材料研究組(504組)楊維慎研究員和朱凱月研究員團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池電解質(zhì)研發(fā)方向取得新進(jìn)展，制備了兩面具有不同親水性、截面具有梯度孔道結(jié)構(gòu)的Janus水凝膠膜，并將其用作水系鋅離子電池電解質(zhì)，不但降低負(fù)極水活度抑制析氫反應(yīng)，而且確保正極側(cè)充足的質(zhì)子嵌入進(jìn)而提高電池容量，實(shí)現(xiàn)了鋅離子電池的長期穩(wěn)定循環(huán)。
 

　　水系鋅離子電池具有功率密度高、成本低、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。但該電池循環(huán)過程中存在負(fù)極水腐蝕和鋅枝晶，以及正極容量低和溶解等問題，已成為規(guī)模應(yīng)用的瓶頸難題。從微觀分子反應(yīng)的角度來看，水系電解液中高活性水分子進(jìn)攻正負(fù)極是引發(fā)上述問題的關(guān)鍵。盡管溶劑水對(duì)提高電池容量至關(guān)重要，但是水也會(huì)降低正負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性，且負(fù)極界面處需要低于正極界面處的水活度。傳統(tǒng)電解液調(diào)控策略通常是均勻調(diào)控水分子活度提高負(fù)極可逆性，很難同時(shí)調(diào)控正負(fù)極且常常忽略對(duì)正極側(cè)的重要影響，導(dǎo)致鋅離子電池的性能未達(dá)到最佳水平。
 

　　本工作中，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出構(gòu)建Janus水凝膠電解質(zhì)的研究思路，通過調(diào)控親疏水單體梯度分布，利用水凝膠的準(zhǔn)固態(tài)性質(zhì)，定制不同親水性的表面和梯度孔結(jié)構(gòu)的膜截面，以同時(shí)滿足正負(fù)極對(duì)不同水分子活度的需求。團(tuán)隊(duì)利用低親水側(cè)較低的水活度和致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抑制負(fù)極的水腐蝕和鋅枝晶，利用高親水側(cè)的較高水含量和強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)促進(jìn)質(zhì)子在正極的嵌入，進(jìn)而提高電池容量并增強(qiáng)穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，采用該Janus水凝膠電解質(zhì)的紐扣電池Zn||(NH4)2V10O25·8H2O在0.5A/g的電流密度下具有470mAh/g的高容量，并且在循環(huán)100次后仍具有87%的容量保持率，性能顯著優(yōu)于對(duì)稱均勻水凝膠和傳統(tǒng)水系硫酸鋅電解質(zhì)(隔膜是玻璃纖維)；更重要的是，采用該Janus水凝膠電解質(zhì)組裝的軟包電池(面積22.5cm2)展現(xiàn)出48mAh的高容量，經(jīng)過150次循環(huán)后容量保持率高達(dá)85%，并且在剪切、重壓或彎曲等極端情況下仍能穩(wěn)定工作。
 

　　該工作開發(fā)出一種一體成型的Janus水凝膠膜，膜兩表面具有不同骨架結(jié)構(gòu)并修飾不同官能團(tuán)，精準(zhǔn)調(diào)控了正負(fù)極界面區(qū)域水分子活度，抑制負(fù)極水腐蝕、枝晶、正極溶解反應(yīng)的同時(shí)確保正極側(cè)充足且快速的質(zhì)子和離子嵌入，實(shí)現(xiàn)了鋅離子電池系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。為鋅離子電池電解質(zhì)/正負(fù)極界面設(shè)計(jì)提供新思路和新方法，有望加速本質(zhì)安全的水系鋅離子電池技術(shù)落地。
 

　　上述工作以“An integrated Janus hydrogel with different hydrophilicities and gradient pore structures for high-performance zinc-ion batteries”為題，于近日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy & Environmental Science)上。該工作的第一作者是我所朱凱月研究員，通訊作者是我所楊維慎研究員和來自河南大學(xué)的訪問學(xué)者牛喜玲老師。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。(文/圖 朱凱月、牛喜玲)