科研进展| 南科大机械系曾林&林蒙课题组在水系锌离子电池隔膜材料取得新研究进展
发布时间：2021-02-26
近日，南方科技大学机械能源与工程系曾林，林蒙课题组在水系锌离子电池隔膜材料研究取得最新研究进展，并在国际著名期刊J Mater Chem A上合作发表题为‘A cation selective separator induced cathode protective layer and regulated zinc deposition for zinc ion batteries’的论文。
水系锌离子电池的发展受制于负极锌枝晶的生长和正极材料的容量衰减。本研究通过将常用的玻璃纤维（GF）隔膜替换为具有良好力学性能和阳离子选择透过性的商业Nafion-211隔膜，引导了锌离子电池正极生成了稳定致密的固体电解质界面层（SEI），同时通过电场和浓度场的模拟证明了Nafion膜可以均匀化负极枝晶周围的电场和锌离子浓度场，有效抑制了锌枝晶的生长。在使用Nafion膜的情况下，锌对称电池的循环寿命提升了一倍以上。正极使用商用V2O5组装的Zn//Nafion//V2O5全电池的能量密度高达374.4W∙h∙kg-1。
水系锌离子电池的发展受制于负极锌枝晶的生长和正极材料的容量衰减。本研究通过将常用的玻璃纤维（GF）隔膜替换为具有良好力学性能和阳离子选择透过性的商业Nafion-211隔膜，引导了锌离子电池正极生成了稳定致密的固体电解质界面层（SEI），同时通过电场和浓度场的模拟证明了Nafion膜可以均匀化负极枝晶周围的电场和锌离子浓度场，有效抑制了锌枝晶的生长。在使用Nafion膜的情况下，锌对称电池的循环寿命提升了一倍以上。正极使用商用V2O5组装的Zn//Nafion//V2O5全电池的能量密度高达374.4W∙h∙kg-1。
图1 Zn-Nafion和GF隔膜的物理性能比较
图1中展示了Zn-Nafion与GF隔膜的形貌(a, b)，机械强度(c)与吸水性(d)的对比。
图2 不同隔膜下锌负极的多物理模型和三维高度图
由多物理模型模拟的结果可知，Zn-Nafion隔膜由于Donnan电势的作用，使得锌负极枝晶种子周围电场强度均匀化，导致电解液中锌离子也分布更加均匀。因此有效的抑制了锌枝晶种子的进一步生长。在循环20圈后，Zn-Nafion隔膜下锌负极的锌枝晶生长受到明显抑制，而GF隔膜下的锌负极表面变化明显，伴随着大量枝晶的生成。
图3 采用Zn-Nafion和普通GF隔膜的Zn//ZnSO4//Zn对称电池的电化学性能比较
采用两种隔膜锌对称电池的电化学性能和化学稳定性如图3所示。使用Zn-Nafion隔膜的对称电池库伦效率值在130次循环后仍有97.8%(图3a),高于GF隔膜的锌对称电池。从图3b、3c、3d中对应的图像可以看出，库伦效率测量中Zn-Nafion的对称电池的极化电压比GF对称电池的极化电压低，电压滞后也低。图3e中使用Zn-Nafion对称电池的循环寿命超过553 h，而GF对称电池只能工作226 h。
图4 Mn-Nafion/GF电池和V-Nafion/GF全电池的电化学性能对比
图4中α-MnO2和V2O5正极的锌全电池电化学性能均被Zn-Nafion隔膜显著增强，Zn-Nafion隔膜下锌全电池的比容量，能量密度和循环稳定性均得到了较大提升。同时，Zn-Nafion隔膜成本，和使用的方便程度也远远由于其他电极优化策略。
图5 V-Nafion/GF电池中V2O5正极表面的SEM图
Zn-Nafion隔膜引导的V2O5正极表面生成致密的界面层是提高锌全电池电化学性能的关键因素。采用Zn-Nafion和GF隔膜的V2O5正极对应的扫描电子显微镜图像分别如图5a-5b和图5c-5d所示。V-Nafion正极表面覆盖一层水平堆叠的鳞片状SEI层(图5a中的插图)，厚度为0.8μm(图5b)。相比之下，之前的V-GF中，大量的片状析出物和玻璃纤维随机分布在正极的表面(图5c)，在图5d中正极材料更是直接暴露，没有完整界面层的覆盖。
论文通过研究一种可回收的质子选择透过性隔膜在高性能水系锌电池中的应用。结果表明，使用Nafion隔膜的锌对称电池具有更长的循环寿命和更低的极化和电压滞后。Nafion隔膜作用下α-MnO2纳米线正极的比容量几乎增加了一倍，即便使用商用V2O5正极的能量密度也达到了374.4W∙h∙kg-1。同时，良好的机械性能和化学稳定性使Nafion隔膜具有良好的可回收性，并显著降低了使用Nafion隔膜的成本(比GF隔膜便宜47.3%)。
南科大机械与能源工程系19级博士吴不可为论文第一作者。机械系能源工程方向曾林、林蒙两位老师为本文共同通讯作者。该研究项目获得了国家自然科学基金、深圳市面上项目的资助。
论文链接
https://doi.org/10.1039/D0TA11841A
供稿：曾林、林蒙课题组
编辑：邓苏
论文通过研究一种可回收的质子选择透过性隔膜在高性能水系锌电池中的应用。结果表明，使用Nafion隔膜的锌对称电池具有更长的循环寿命和更低的极化和电压滞后。Nafion隔膜作用下α-MnO2纳米线正极的比容量几乎增加了一倍，即便使用商用V2O5正极的能量密度也达到了374.4W∙h∙kg-1。同时，良好的机械性能和化学稳定性使Nafion隔膜具有良好的可回收性，并显著降低了使用Nafion隔膜的成本(比GF隔膜便宜47.3%)。
南科大机械与能源工程系19级博士吴不可为论文第一作者。机械系能源工程方向曾林、林蒙两位老师为本文共同通讯作者。该研究项目获得了国家自然科学基金、深圳市面上项目的资助。
论文链接
https://doi.org/10.1039/D0TA11841A
供稿：曾林、林蒙课题组
编辑：邓苏