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水系鋅離子電池（AZIBs）由于具有低成本、不易燃的鋅金屬和水系電解液等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是有前途的下一代儲能裝置。然而，鋅金屬負(fù)極穩(wěn)定性差是實(shí)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用的主要瓶頸。

圖1. ZSM-5分子篩作為固液混合電解質(zhì)膜示意圖

在此，新加坡南洋理工大學(xué)范紅金教授、首都師范大學(xué)宋衛(wèi)星副教授等人引入了一系列具有不同通道尺寸的分子篩并構(gòu)建了一種固液混合電解質(zhì)膜以調(diào)節(jié)鋅負(fù)極表面Zn²⁺的離子環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)無隔膜鋅離子電池。設(shè)計(jì)的合理性在于，分子篩不僅可起到有效的隔膜作用，還可調(diào)節(jié)溶劑結(jié)構(gòu)和鋅離子的傳輸。

具體而言，與傳統(tǒng)的玻璃纖維隔膜相比，分子篩電解質(zhì)膜能夠?qū)崿F(xiàn)更穩(wěn)定和可逆的鋅沉積。由于具有相交和3D通道系統(tǒng)，這些通道尺寸為0.3~2.5 nm的分子篩電解質(zhì)膜能夠使鋅離子的通量和傳輸均勻化。同時(shí)，分子篩導(dǎo)致的游離水和溶劑化水活性降低可最大限度地減少鋅負(fù)極的副反應(yīng)并延長AZIB的循環(huán)壽命。因此，基于ZSM-5固液混合電解質(zhì)膜的AZIBs表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的性能。

圖2. V₂O₅||ZSM-5||Zn全電池的電化學(xué)性能

結(jié)果顯示，V₂O₅||ZSM-5||Zn全電池在1 A g^-1下具有高比容量（300 mAh g^-1），1000次循環(huán)后可保持98%的初始容量，3000次循環(huán)后容量保持率為83%。即使在5 A g^-1的高電流下，整個(gè)電池也可運(yùn)行15000次循環(huán)且容量保持率為82%。對于不同通道尺寸的分子篩，需要考慮空間限制和通道壁吸附的耦合效應(yīng)。

經(jīng)測定，通道尺寸為5~7 ? 的分子篩（ZSM-5、H-β 和 Bate）具有最佳的去溶劑化能力和循環(huán)穩(wěn)定性。雖然這項(xiàng)研究表明ZSM-5分子篩作為無隔膜水系電池的電解質(zhì)主體具有廣闊的應(yīng)用前景，但可進(jìn)一步研究以實(shí)現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)定性和電池能量密度之間的平衡。鑒于薄ZSM-5膜易碎，有必要設(shè)計(jì)和提高固液混合電解質(zhì)膜的機(jī)械強(qiáng)度和魯棒性。未來研究中一個(gè)可能的策略是開發(fā)對分子篩具有更好粘附力的粘結(jié)劑，同時(shí)卷對卷壓制方法也將有助于大規(guī)模生產(chǎn)。

圖3. 可用于AZIBs的不同通道尺寸的分子篩

Molecular sieve electrolyte membrane enables separator-free zinc batteries with ultralong cycle life, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202207209

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范紅金/宋衛(wèi)星AM: 15000次循環(huán)，無隔膜鋅電池！

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