【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化物所催化基礎國家重點實驗室無機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隊在水系鋅離子電池電解質(zhì)研發(fā)方向取得新進展，制備了兩面具有不同親水性、截面具有梯度孔道結構的Janus水凝膠膜，并將其用作水系鋅離子電池電解質(zhì)，不但降低負極水活度抑制析氫反應，而且確保正極側(cè)充足的質(zhì)子嵌入進而提高電池容量，實現(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，在儲能領域應用前景廣闊。但該電池循環(huán)過程中存在負極水腐蝕和鋅枝晶，以及正極容量低和溶解等問題，已成為規(guī)模應用的瓶頸難題。從微觀分子反應的角度來看，水系電解液中高活性水分子進攻正負極是引發(fā)上述問題的關鍵。盡管溶劑水對提高電池容量至關重要，但是水也會降低正負極的循環(huán)穩(wěn)定性，且負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極可逆性，很難同時調(diào)控正負極且常常忽略對正極側(cè)的重要影響，導致鋅離子電池的性能未達到最佳水平。
 

　　本工作中，研究團隊創(chuàng)新性地提出構建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，利用水凝膠的準固態(tài)性質(zhì)，定制不同親水性的表面和梯度孔結構的膜截面，以同時滿足正負極對不同水分子活度的需求。團隊利用低親水側(cè)較低的水活度和致密的網(wǎng)絡結構抑制負極的水腐蝕和鋅枝晶，利用高親水側(cè)的較高水含量和強氫鍵網(wǎng)絡結構促進質(zhì)子在正極的嵌入，進而提高電池容量并增強穩(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構并修飾不同官能團，精準調(diào)控了正負極界面區(qū)域水分子活度，抑制負極水腐蝕、枝晶、正極溶解反應的同時確保正極側(cè)充足且快速的質(zhì)子和離子嵌入，實現(xiàn)了鋅離子電池系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行。為鋅離子電池電解質(zhì)/正負極界面設計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》(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的訪問學者牛喜玲老師。上述工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。(文/圖 朱凱月、牛喜玲)