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?南洋理工范紅金/吉大杜菲AM：高硫負(fù)載和單離子選擇膜用于高能耐用的解耦水系電池

解耦電池設(shè)計(jì)有望突破傳統(tǒng)水系電池的能量密度限制。然而，復(fù)雜的電池結(jié)構(gòu)和低選擇性隔膜限制了它們的能量輸出和使用壽命。

在此，新加坡南洋理工大學(xué)范紅金、吉林大學(xué)杜菲等人通過設(shè)計(jì)高質(zhì)量負(fù)載的硫電極和單離子選擇膜，實(shí)現(xiàn)了鋅硫解耦的水系電池。在磁場(chǎng)的幫助下構(gòu)建的垂直組裝的納米片網(wǎng)絡(luò)使得高負(fù)載硫電極中的電子和離子易于傳導(dǎo)，有利于提高能量輸出。

對(duì)于定制的離子選擇性膜，錨定在其骨架上的鈉離子有效地阻止OH^?或Cu²⁺的交叉，促進(jìn)鈉離子的傳輸并確保結(jié)構(gòu)和機(jī)械穩(wěn)定性。因此，Zn-S水性電池實(shí)現(xiàn)了3988 Wh kgs^?1（按硫質(zhì)量計(jì)）的可逆能量密度，在300次循環(huán)中穩(wěn)定運(yùn)行，能量密度為53.2 mWh cm^?2。

圖1. 高能解耦鋅硫水系電池的設(shè)計(jì)

總之，該工作通過重新設(shè)計(jì)電池的兩個(gè)重要部件，即硫正極和隔膜，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的長循環(huán)性能。高硫含量正極的磁場(chǎng)感應(yīng)垂直排列，為厚電極（高達(dá)740 um）中的離子傳輸提供通道；此外，Na⁺配位聚合物膜通過抑制膜膨脹和路易斯酸堿相互作用而表現(xiàn)出高離子選擇性。

因此，Zn-S 解耦電池的面能量密度為 53.2 mWh cm^-2，與使用普通隔膜的數(shù)十個(gè)循環(huán)相比，其壽命延長至 300 個(gè)循環(huán)。因此，該項(xiàng)工作中展示的組合電極和膜工程策略為高能量和耐用性解耦電池鋪平了道路。

圖2. 電池性能

High-Sulfur Loading and Single Ion-Selective Membranes for High-Energy and Durable Decoupled Aqueous Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202307298

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