2022-08-23
课题组赵泽泉博士等人在Science China-Materials发表研究论文,通过一种简单的辊压工艺,设计并制备了一种多功能双层导电(MLC)隔膜,应用于高性能储能用二次锌镍电池。通过增强隔膜的电导率和锌吸附性,有效调控了阳极电流密度分布和锌沉积行为,抑制了阳极的枝晶、形状变化和坍塌。此外,MLC隔膜还具有高保水能力、高析氢电位和阻氧效应,抑制了电解质蒸发、析氢反应(HER)、析氧反应(OER)等多种副反应对电池的负面影响。
MLC隔膜使得电池在55.3 mA cm-2的高电流密度下循环超过1672小时,相比传统的Celgard隔膜提升了5倍。此外,在高温60℃下电池能经受超过440 h和580 h的静置和浮充。
MLC隔膜在电池循环的不同阶段都能有效抑制枝晶生长和阳极形变。更有趣地是,MLC隔膜的PCL层在循环后期还能起到第二集流体的作用,延长了阳极的导电网络,避免了电极的坍塌。浮充时,相较于传统Celgard隔膜,MLC的PCL覆盖在阳极表面,能保护阳极不被过度氧化。被保护的阳极可触发较低的充电电流,抑制OER的发生。部分析出的氧气也会被MLC的PCL中的锌粉吸收,进一步避免了电池的过度膨胀。MLC隔膜包含有亲水基团的聚合物相,使得电池在长期储存过程中保持电解质中的水含量。
理论计算结果表明,MLC隔膜的PCL层能有效均匀阳极/隔膜表面的电流密度,并且PCL的无机相提供了亲锌位点,使得锌能在PCL的上下表面均匀沉积。对于传统电池,循环过程中,Zn离子会在阳极局部集中从而形成枝晶穿透Celgard隔膜。相比之下,在循环初期,MLC电池的Zn会沿PCL靠近阳极的表面均匀分布、沉积。经过多次循环后,Zn的连续沉积导致阳极与PCL连接形成致密的整体。然后,PCL连续引导Zn在靠近PP层的PCL表面平行生长,避免了锌枝晶和形变的发生。
这项工作提供了一种简易的隔膜制备方法,设计得到多功能双层导电隔膜,以解决二次锌镍电池中存在的重大问题,从而全面提高二次锌镍电池的循环寿命和日历寿命。这种简单而新颖的隔膜改造策略,为下一代锌镍电池隔膜器的设计开辟了创新的途径。论文指导教师为钟澄教授和胡文彬教授。