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仪表网 研发快讯】近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室王义展教授课题组在水系锌离子电池研究方面取得新进展。研究成果以“Suppression of Interfacial Water Layer with Solid Contact by an Ultrathin Water Repellent and Zn²?Selective Layer for Ah-Level Zinc Metal Battery”为题，发表在《Energy & Environmental Science》上。
水系锌金属电池因其低成本、高安全性和环保特性，被认为是未来储能领域的重要解决方案。然而，锌负极的不稳定性，包括不可控的枝晶生长及副反应，严重限制了其长期循环性能和实际应用。研究表明，锌负极在沉积过程中易受析氢反应(HER)的影响，导致能量效率降低和电极腐蚀。此外，界面水层的存在进一步加剧了副反应的发生，影响锌离子的均匀沉积。为解决这一关键问题，该研究提出了一种基于超薄、疏水且锌离子选择性的纳米膜的新策略，以消除界面水层，提升锌负极的稳定性。
图1. FeHCF纳米膜的阻水与锌离子传导性能
该研究构建了由双十八烷基二甲基铵(DODA)和普鲁士蓝(FeHCF)组成的纳米膜。DODA赋予膜层优异的疏水性能，有效阻断水分子渗透，而FeHCF的三维框架结构和氧化还原活性铁中心则充当法拉第离子泵，促进锌离子高效传输。FeHCF纳米膜显著降低界面处的水分含量，减少析氢副反应，提高锌负极的库仑效率。图1直观展示了FeHCF纳米膜的阻水性能。研究人员通过H型容器扩散实验发现，FeHCF纳米膜的水渗透率仅为0.000028 mol m-2h-1Pa-1，相比未修饰的PP隔膜降低了一个数量级。实验测得Zn2+迁移数从裸锌的0.41提高至0.76，确保锌离子的快速传输。在5 mA cm-² 的电流密度下，锌负极可稳定循环超过10,000次，库仑效率高达99.91%。FeHCF纳米膜显著促进了锌离子的均匀沉积和剥离，从而提升了锌负极的整体性能和循环寿命。
图2.相关全电池性能测试
在实际电池测试中，该纳米膜显著提升了全电池的性能。采用FeHCF/Zn负极的Zn||I2电池在5 A g-1的高电流密度下可稳定循环10,000次，容量保持率远高于裸锌电池。此外，在109 mA cm-2(150 C倍率)极端工况下，该电池实现了65,000次超长循环寿命，累积容量达31,319 mAh(图2)。研究团队进一步组装了Ah级软包电池，以验证该技术的可扩展性。FeHCF/Zn软包电池在0.84 Ah放电容量下可稳定循环500次，在1.31 Ah放电容量下也能维持40余次循环，展现出优异的稳定性。这项研究为水系锌电池的长期稳定运行提供了新的界面调控策略。通过消除界面水层并优化Zn2+传输，FeHCF纳米膜不仅有效提高了电池的循环寿命，还为将来可能的储能应用提供了可靠的技术支撑。
论文第一作者为吉林大学物理学院2022级凝聚态物理专业硕士研究生徐紫薇，通讯作者为吉林大学物理学院王义展教授、王春忠教授，大湾区大学赵康宁教授。该工作得到了国家自然科学基金、吉林省自然科学基金和中央高校基本科研专项资金的大力支持。
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