本文介绍了一种可持续的基于几丁质 (chitosan) 的锌电解液膜,用于高倍率、长循环寿命的可充电水系锌金属电池。主要内容概括如下:

第一,研究人员来自美国马里兰大学,休斯顿大学等单位,本研究发表于杂志Matter。

第二,研究背景和研究目标: 水系可充电锌金属电池具有安全性高、快速充放电、环境友好等优点,有望满足大规模储能需求。但目前锌负极在循环过程中会产生枝晶、腐蚀等问题,制约了电池性能。传统的高浓度盐溶液电解液、有机电解液等策略虽能抑制枝晶生长,但降低了离子电导率或牺牲了安全性。本研究旨在开发一种机械性能好、离子电导率高、能够实现理想的锌沉积形貌的水凝胶电解质。

第三,研究工作流程: 1) 制备几丁质-锌(chitosan-Zn)膜:首先将几丁质溶于乙酸溶液,再与饱和的氢氧化锌溶液发生溶剂-非溶剂交换,制备出多孔的几丁质-锌膜。 2) 将多孔的几丁质-锌膜浸入硫酸锌溶液并压实,得到致密的几丁质-锌电解质膜。 3) 调控膜的含水量来控制离子电导率和锌沉积行为。 4) 电化学测试及分析表征:离子电导率、循环性能、库仑效率、电池倍率性能、锌负极表面形貌等。

第四,主要结果: 1) 含水量为57%的几丁质-锌电解质膜具有72 mS/cm的高离子电导率和7.4 MPa的高机械强度。 2) 该电解质使锌呈现出平行堆垛的六角锌片状沉积形貌,抑制了枝晶生长。 3) 在50 mA/cm2的高电流密度下,锌负极循环1000周期,库仑效率高达99.7%。 4) 全电池在10 mg/cm2的高质量载量下,2C倍率循环400周期。高达20C的超高倍率下容量仍可达98 mAh/g。

第五,研究意义: 1) 几丁质-锌电解质由生物可降解材料制备,并展现出优异的电池性能,体现了生物质材料在绿色储能领域的应用前景。 2) 电解质结构设计策略为开发高性能、可持续的聚合物电解质提供了新思路。 3) 该电解质不燃性好、成本低,且电池各组分均具有生物降解或可循环利用的潜力,有望实现绿色可持续电池的设计。

第六,研究亮点: 1) 提出了一种生物可降解的几丁质-锌电解质,实现了高离子电导率、高机械强度和理想锌沉积形貌。 2) 实现了锌负极在高电流密度下的超长循环寿命,全电池在高载质量下表现出优异的高倍率和长循环稳定性。 3) 阐明了可调含水量在电解质中调控离子电导率和金属沉积行为的作用机制。 4) 电解质及所涉电池系统均具备不燃、可降解等绿色安全特性。