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科学研究
能源胶体与界面化学团队在ACS Nano、Chemical Engineering Journal发表水系锌电池电解质研究新进展
2024年03月14日 10:01   点击:

液晶,作为一种介于各向异性晶体与各向同性液体之间的有序相态,具有独特地光、电、磁等性质。作为物质的“第四态”,液晶的重要应用不只局限于显示领域。得益于其内部界限分明的微相分离和宏观连续的通道结构,近年来液晶在离子传导领域受到了诸多关注。液晶电解质在锂离子电池、超级电容器、燃料电池、锌离子电池等多个领域的研究中崭露头角。特别是兼具液体和晶体材料优势的双连续立方液晶,被视作是准固态电解质的理想候选材料之一。

近日,能源胶体与界面化学团队成功通过表面活性剂自组装策略构建了兼具高离子电导率和结构稳定性的立方液晶电解质(LCE),将三周期极小曲面(TPMS)结构的有序性扩展到电解质领域。LCE具有界限分明的亲疏水微观相分离结构和宏观连续的离子传导通道,能够通过不同区域实现独立的离子传输和机械支撑功能。研究发现,LCE独特的微观相分离结构能够促进锌离子传输并抑制电解质中阴离子的扩散,使得LCE同时具有高电导率和高锌离子迁移数。此外,LCE内部规整的纳米级连续水通道在电极/电解质界面提供了大量锌离子成核位点。同时,立方液晶疏水相限制了锌离子在电极表面的二维扩散过程,从而形成了均匀致密的锌沉积层。因此,对应的对称电池表现出优异的稳定性,在1.0 mA cm-2和1.0 mAh cm-2下稳定运行超过1200小时。此外,采用LCE的Zn//PANI全电池在1 A g-1的条件下循环2500次后,容量保持率高达90.9%。该工作验证了双连续立方液晶作为准固态电解质的可行性,并有望应用于多种金属电池体系,以“Gyroid Liquid Crystals as Quasi-Solid-State Electrolytes Toward Ultrastable Zinc Batteries”为题在ACS Nano (中国科学院一区,IF=17.1)发表。该工作由高新培教授与山东大学郑利强教授合作完成,双方合作培养博士生苏龙为论文第一作者,高新培教授为论文第一通讯作者。

水系锌离子电池(ZIBs)凭借其高安全性、低成本和环境友好等本征优势在储能领域引起了广泛关注。为了解决锌阳极存在的枝晶、腐蚀等问题,能源胶体与界面化学团队利用可控的液-液界面合成了一系列共价有机框架(COF)膜,并利用提拉法直接转移到锌电极表面,作为稳定锌负极的修饰层(COF@Zn)。由于锌离子与富电子酮官能团之间的强相互作用,亲锌COF膜可以均匀锌离子通量,提供充足的锌离子传输通道以促进快速扩散,从而抑制枝晶生长,实现均匀的锌沉积。此外,COF薄膜还能有效将负极与水隔开,抑制腐蚀反应,COF@Zn对称电池表现出良好的稳定性。这项工作为稳定锌负极提供了一种简单有效的策略,并对电解质和隔膜设计提供了新的研究思路和依据。该成果以“Synergistically regulating Zn-ion flux and accelerating ion transport kinetics via zincophilic covalent organic framework interlayer for stable Zn metal anode”为题在Chemical Engineering Journal(中国科学院一区,IF=15.1)发表。该工作由鲁飞教授与山东大学郑利强教授合作完成,双方合作培养硕士生梁丽萍为论文第一作者,鲁飞教授为论文第一通讯作者。

上述工作得到了国家自然科学基金(22362014,22272090, 22102090,22262011),以及海南大学科研启动基金(KYQD(ZR)-21127,KYQD(ZR)-22047)的资金资助。

文章链接:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c00593

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724012981

撰稿人:高新培

审核人:潘福生 杨燕来

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