時時頭條
  • 娛樂
  • 體育
  • 財經
  • 科技
  • 旅遊
  • 軍事
  • 育兒
  • 時尚
  • 遊戲
  • 歷史
  1. 首頁
  2. 科技

吉林大學徐吉靜教授團隊AFM:纖維素鋅離子導體構築全固態鋅離子電池!

2024-02-18 10:03:18

近日,吉林大學徐吉靜課題組開發了一種基於纖維素的固態電解質新材料——羧基化纖維素奈米纖維(Zn-CCNF@XG),揭示了納米化工程和官能團化策略對於提高鋅離子電導率的作用原理及鋅離子在Zn-CCNF@XG中的離子運輸機制,並組裝了高迴圈穩定性的固態鋅離子電池。相比較於傳統的基於PEO、PVDF等聚合物的固態電解質材料,本工作所開發的纖維素基固態電解質具有高離子電導率、離子遷移數、和優異的鋅離子電鍍剝離的穩定性及可逆性。同時,Zn-CCNF@XG的製備原材料來源廣泛、製備成本低廉、可自然降解,可大規模製備。該工作所開發的Zn-CCNF@XG具有優異的綜合性能,為推動固態鋅離子電池的實際應用提供了可能的選擇。該工作發表在國際權威期刊Advanced Functional Materials上。碩士生塗文彬為本文的第一作者。

鋅離子電池因為其鋅負極本徵的安全性、較高的理論能量密度、豐富的地殼儲存量和成本優勢引起了廣泛的研究,使其在眾多的能量轉換和儲存裝置中脫穎而出。然後,相對於標準氫電勢,鋅金屬較低的氧化還原電勢(−0.76 V vs. RHE)導致其在水系電解液中是熱力學不穩定的,容易發生析氫(HER)等副反應。同時,由於鋅的不均勻沉積行為極易導致鋅枝晶過渡生長,嚴重阻礙了水系鋅離子電池的實際應用。抑制鋅負極副反應和促進鋅均勻沉積與剝離是推進鋅離子電池走向實際應用的關鍵問題。目前,已經開發出使用鋅負極塗層、合金鋅負極、最佳化電解質組成、調節水合鋅離子的結構等手段以抑制水系鋅離子電池中的析氫反應和鋅枝晶生長問題。開發固態電解質同樣是一個能夠解決鋅負極問題的方法。然而,由於鋅離子是高價陽離子,與聚合物基底的路易斯鹼位點之間存在較強的相互作用,導致離子電導率低(通常為10−6 S cm−1),嚴重阻礙了固態電解質在鋅離子電池體系中的大規模應用。因此,開發出新型的高離子電導率的鋅離子電池固態電解質是十分重要的,也具有很大的挑戰!

圖1. Zn-CCNF@XG的合成及相關表徵

透過13C SSNMR和FTIR驗證簡單的TEMPO/NaBr/NaClO氧化體系介導氧化纖維素的方法成功地將纖維素氧化,選擇性的將纖維素鏈的脫水葡萄糖單元C6位上的伯醇羥基氧化成羧基,並使纖維素的整體結構得到完好的保持。透過HRTEM表徵奈米化策略,證明透過超聲波細胞粉碎器將羧基化纖維素進行奈米化,得到的單根的羧基化纖維素奈米纖維的直徑約3~5 nm。透過奈米化策略,將纖維素中的路易斯鹼位點儘可能地暴露出來,為鋅離子提供大量的遷移活性位點。Zn-CCNF@XG電解質膜的厚度約為20 μm,這樣超薄的厚度不僅有利於鋅離子的傳導,還能夠在一定程度上提升固態鋅離子電池的體積能量密度。不管是將Zn-CCNF@XG對摺亦或是捲曲,展開後仍能夠恢復到原始狀態,展現出良好的柔性,這一性質使其能夠組裝成柔性鋅離子電池,為可穿戴柔性電子裝置供能(圖1)。

圖2. Zn-CCNF@XG的鋅離子電導行為

為驗證奈米化策略和官能團化策略對於提升纖維素基固態電解質的作用能力,對纖維素基固態電解質鋅離子電導行為進行了一系列表徵。透過電化學阻抗譜可知,隨著奈米化、官能團化,纖維素基固態電解質的電阻呈現出逐步減小的趨勢。根據離子電導率計算公式,Zn-CCNF@XG的離子電導率最高,為1.17×10−4 S cm−1,遠高於Zn-CF@XG(3.74×10−7S cm−1)和Zn-CNF@XG(1.85×10−5 S cm−1)。同樣,Zn-CCNF@XG具有最低的活化能(0.32 eV),較高的離子遷移數(0.78)和寬的電化學穩定視窗(2.88 V vs. Zn/Zn2+)。Zn-CCNF@XG優異的鋅離子電導行為,證明奈米化策略和官能團化策略對於提高固態電解質鋅離子電導率的有效作用。透過DFT理論計算,進一步解釋了官能團提高鋅離子電導率的作用機制。透過解離能計算,在引入羧基後,鋅離子與纖維素的含氧官能團(−OH,−O−)都明顯降低(圖2)。

圖3. Zn2+在Zn-CCNF@XG中的遷移機制

透過分子靜電勢的計算,進一步確定Zn2+在Zn-CCNF@XG中的遷移路徑。Zn-CCNF@XG中的含氧官能團(−COOH,−OH,−O−)呈現出負電勢,表明其是Zn2+跳躍遷移的主要活性位點。當Zn2+與−COOH和−OH相配位時,系統的正電荷主要集中在Zn2+周圍;然而,當Zn2+與−O−相配位時,系統的正電荷是分散的,表明Zn2+主要是與−COOH和−OH進行配位和解配位行為。結合解離能計算,發現Zn2+與C2位−OH的解離能遠小於與C3位羥基的解離能。因此,Zn2+在Zn-CCNF@XG中,在−COOH的幫助下,遷移活性位點主要是C2位−OH,同時,−COOH也可以作為Zn2+遷移的有效活性位點。透過分子動力學模擬可以發現,Zn2+遷移的動力主要來源是纖維素的鏈段運動(圖3)。

圖4. Zn2+電鍍剝離的可逆性與穩定性

進一步評估了Zn-CCNF@XG在Zn2+電鍍/剝離行為中的表現。將Zn-CCNF@XG和Zn-CNF@XG組裝為Zn||Cu半電池,在0.5 mA cm−2的電流密度和0.5 mAh cm−2的面積容量下迴圈1000小時後,其平均庫倫效率高達99.51%。進一步將電流密度提升至4 mA cm−2,在穩定迴圈600小時後,其平均庫倫效率保持在99.21%,證明Zn-CCNF@XG良好的電鍍/剝離的可逆性。同樣,把它組裝成Zn||Zn對稱電池,在0.5mA cm−2、0.5mAh cm−2下,能夠平穩的迴圈3600小時,其過電勢僅增加了約40 mV,證明Zn-CCNF@XG良好的鋅電鍍/剝離的穩定性(圖4)。

圖5. Zn-CCNF@XG對於Zn負極保護效能研究

水系鋅離子電池中嚴重的氫氣析出(HER)等副反應和鋅枝晶生長,阻礙了鋅離子電池的實際應用的可能性。開發固態電解質能夠有效的解決水系鋅離子電池中存在的問題。透過AFM表徵迴圈後的負極,發現在水系電解液中,鋅負極出現了明顯的鋅枝晶生長和不均勻的沉積行為;而Zn-CCNF@XG和Zn-CNF@XG表現出對於鋅負極良好的保護行為。進一步透過XRD驗證了纖維素基固態電解質對於鋅負極的副產物的抑制能力,其結果表明,在經過迴圈後,纖維素基固態電解質電池中鋅負極並未出現明顯地副產物。最後,透過原位DEMS,直觀地揭示了纖維素基固態電解質對於HER有效的抑制能力(圖5)。

圖6. Zn-CCNF@XG在全固態鋅離子電池中的表現

最後,將Zn-CCNF@XG應用於以NaV3O8·1.5H2O為正極活性物質的鋅離子電池中,發現其綜合性能優異。透過CV測試,發現電池呈現良好的可逆性,表明固態電解質與電極良好的接觸。Zn-CCNF@XG在倍率測試中表現出優異的倍率能力。在1 A g−1的電流密度下,迴圈3000次後,容量保持率在83.46%,平均庫倫效率為99.99%;在4A g−1的大電流密度下,能夠穩定迴圈500圈,平均庫倫效率保持在99.99%,容量保持率高達90%。為了進一步驗證Zn-CCNF@XG實際應用的可能性,將其組裝為軟包電池,在充滿電後,靜置24小時,其容量保持在96%,證明Zn-CCNF@XG對於鋅離子電池自放電行為的良好抑制作用。軟包電池在1 A g−1的電流密度下,迴圈500次後,容量保持率為52.7%,平均庫倫效率為99.74%。以上測試表明Zn-CCNF@XG優異的綜合性能,具有實際應用的可能性。

文獻詳情

Wen-Bin Tu, Shuang Liang, Li-Na Song, Xiao-Xue Wang, Gui-Juan Ji, and Ji-Jing Xu, Nanoengineered Functional Cellulose Ionic Conductor towards High Performance All-Solid-State Zinc-Ion Battery, Advanced Functional Materials, 2024, DOI: 10.1002/adfm.202316137.

通訊作者簡介

徐吉靜,吉林大學,化學學院,無機合成與製備化學國家重點實驗室,未來科學國際合作聯合實驗室,教授,博士生導師。主要從事新能源材料與器件領域的基礎研究和技術開發工作,特別是在固態電池和金屬空氣電池領域取得多項重大原創性成果。研究成果在Nature (1)、Nat. Energy (1)、Nat. Commun. (3)、Adv. Mater. (7)、JACS (3)、Angew. Chem. Int. Ed. (6)、Chem (1)、Matter (1)、Energy Environ. Sci. (1)、Adv. Energy Mater. (3)、Adv. Funct. Mater. (3)、ACS Nano (2)、ACS Cent. Sci. (1) 、ACS Energy Lett. (1)、Energy Storage Mater. (3)等國際著名學術期刊上發表論文70餘篇,他引7000餘次,10餘篇入選ESI高被引論文,H-指數43;獲授權專利10餘項。研究成果受到了國內外學者的關注和認可,被國際專業期刊多次評述報道,受邀在國際國內會議上做大會報告、主題報告或邀請報告50餘次。曾獲國家“萬人計劃”青年拔尖人才(2020年)、科睿唯安“全球高被引學者”(2019年)、吉林省拔尖創新人才(2019年)和吉林省青年科技獎(2018年)等獎勵或榮譽。承擔中組部青年專案、國家自然科學基金、吉林省科技發展計劃重點研發專案等14項科研課題。

來源:高分子科學前沿

宣告:僅代表作者個人觀點,作者水平有限,如有不科學之處,請在下方留言指正!

熱門資訊
  • 貝索斯將套現超80億美元:或重回世界首富 | 2024-02-04 09:42:23
  • Vision Pro"虐機":外部玻璃面板強度較佳、摔機八次碎裂 | 2024-02-04 09:42:26
  • vivo果斷“發飆”,釋出僅三個月再度降價,100倍變焦+驍龍8Gen3 | 2024-02-04 09:42:30
  • iFixit 拆解蘋果 Vision Pro 頭顯,內部結構複雜 | 2024-02-04 09:42:33
  • 2499元的銳龍7 8700G很強?迷你主機笑了 主流級桌上型電腦可以退休了 | 2024-02-04 09:42:37
  • 渤健放棄阿爾茲海默病爭議藥物,集中精力開發新療法 | 2024-02-04 09:42:40
  • 雪中小米汽車首撞,右前大燈被撞爛,前保險槓也受損嚴重 | 2024-02-04 09:42:43
  • 雷軍最新宣佈:小米手機發佈會由盧偉冰主講 | 2024-02-04 09:54:27
  • 蘋果 Vision Pro 虛擬顯示器功能支援英特爾 Mac,僅限 3K 解析度 | 2024-02-04 09:54:31
  • 小米MIX Flip / Fold 4再曝,“零感摺痕”、5000萬畫素潛望四攝 | 2024-02-04 09:54:41
  • ROG和拯救者掌機的挑戰者!升級酷睿Ultra的微星CLAW掌機靠譜嗎? | 2024-02-04 09:56:18
  • SpaceX公佈星艦工廠圖:未來3發超重已造好 | 2024-02-04 09:56:22
  • 小米14 Ultra現身認證網站 預計本月底釋出 配置很頂 | 2024-02-04 10:13:57
  • 16GB+1TB+3200萬雙攝,頂配旗艦跌至2366元,扯下友商“遮羞布” | 2024-02-04 10:14:02
  • 春節前想換手機的可以看看!這幾款你買我必推薦 | 2024-02-04 10:14:06
  • 1599 元,技嘉推出 RTX 3050 6G 半高刀卡:長 181mm,出廠超頻 | 2024-02-04 10:14:09
  • iFixit 拆解蘋果頭顯Vision Pro,內部結構複雜 | 2024-02-04 10:16:54
  • 訊息稱英特爾與AMD爭奪次世代Xbox晶片訂單 | 2024-02-04 10:16:57
  • 蘋果Vision Pro虛擬顯示器功能支援英特爾Mac,限3K解析度 | 2024-02-04 10:17:01
  • 2023年iPhone均價達6400元 蘋果多個市場收入創新高! | 2024-02-04 10:17:05
  • 小米高管職務大變動!盧偉冰談接手小米手機:巨大責任 | 2024-02-04 10:17:07
  • 核顯究竟要怎麼用?別忽略這幾點你不知道的事情 | 2024-02-04 10:17:10
  • 華為Matebook 14 2024款曝光:外觀大改 加量不加價 | 2024-02-04 10:17:17
  • 2023 年中國智慧盒子出貨量慘淡,銷量 159 萬臺下降 27.5 % | 2024-02-04 10:17:28
  • 南方人不明白,北方暖氣費一交好幾千,為什麼不開空調? | 2024-02-04 10:17:31
  • 能裝進口袋的迷你主機還能流暢玩帕魯?銘凡EM780開箱體驗 | 2024-02-04 10:24:58
  • 史上最強小米手機來了!小米14 Ultra正式官宣:科技樹點滿 盧偉冰主講直呼“燒腦” | 2024-02-04 10:25:02
  • 聊聊這兩年遊戲本顯示卡的“糟糕刀法” | 2024-02-04 10:28:21
  • 手機鏡頭越做越厚,乾脆做成“可伸縮式變焦鏡頭”,不是更好嗎? | 2024-02-04 10:28:29
  • 如果沒有雷軍,你還會跟隨小米嗎?米粉:盧偉冰接手,繼續支援! | 2024-02-04 10:28:32
最近發布
突發!TVB知名女星毫無預警宣佈與未婚夫分手,結束長達八年情 面對被黑,蘭姐強勢迴歸。小菲狀態好轉,發宣告。更多內幕揭曉! 中國男籃決戰日本隊,首發五人曝光,廣東隊大贏家,徐傑第一後衛 孫穎莎奪女單冠軍!採訪謙遜立足拼,劉國樑給中國選手頒獎笑開花 分析 馬威交易取消後的影響:湖人還有什麼選擇?只能等休賽期? 火箭vs猛龍前瞻:範弗裡特有望復出戰舊主,火箭欲終結六連敗 梅西轟動宏都拉斯!當地媒體:這是世紀體育盛事! 登記開啟!金中、29中、13中等校動了! 開年暴擊!南京又一家機構跑路了? TechInsights:AI PC未能提振筆記本市場 2024年僅增長5% 睡覺時突然腿抽筋,就是缺鈣?錯!還有這4個原因,別輕易忽視了 泡泡瑪特又贏麻了!此前被調侃是“境內最大的博彩公司” 再也不用扎手指!5億糖尿病患者有福了 傳《尼爾:機械紀元》續作、新《古墓麗影》今年公佈 有工作經驗的畫素畫師如何寫簡歷? 離譜!Xun被搶3條龍,JDG仍然獲勝!Peyz力挽狂瀾,WBG痛失好局 將耗死在國際空間站?59歲美滯留女宇航員求救:喪失重要身體機能 華為FreeClip耳機玫瑰金開售 開放式聆聽設計 CBA俱樂部杯-山西淘汰北控晉級4強 原帥18分 小紅書上移民的中產:曾經北京七套房, 羨慕海外一張床, 如今卻...... 不可抗力停課2天以上退一半保教費,佛山幼兒園收費新規釋出 紅棉襯醉美,2020番順醉美青餅評測 華為FreeClip耳夾耳機玫瑰金配色開售:1299元 64歲寧波老闆,跨界無數次,給員工發8億,即將擁有第三家IPO? 卡友資訊股東持股情況變動 廣州“城市合夥人”:城市與人才的雙向奔赴 有人說孫穎莎粉絲是飯圈文化的時候 卻有些人用真金白銀愛孫穎莎! 男生剪“短髮”髮型乾淨利落,試試這3款,剪完帥氣提升顏值! 7個臀部訓練最佳動作,打造迷人的蜜桃臀! 偉大的4-2!林詩棟奪冠:新科世界第1誕生、超越王楚欽,狂攬3冠 新疆完美了!新小外強於皮特森+黑根斯,承認補強大外良性競爭! 林詩棟奪男單冠軍!採訪大談不容易太謙遜,單獨拍照露出笑容! 國乒最新戰報!林詩棟第2局11-8,衝3冠王,梁靖崑救2局點仍輸球 替補奇兵!快船大將5記3分助隊贏球 哈登好幫手 爆冷!北控男籃吊打奪冠大熱門球隊,外援決定比賽的走向 官宣離任,胡明軒宣佈重要決定,廣東宏遠遺憾,杜鋒祝福 又一個賈德松!崔康熙看人很準,魯媒:卡約又要錯過中國聯賽了 劉國樑憔悴!黑眼圈很重,擋住蒯曼被提醒,孫穎莎王楚欽被裁判整 林詩棟逆轉梁靖崑奪冠,成就三冠王,綜合實力更加突出 CBA最新外援註冊資訊,遼籃4人,新疆補充新援,廣東男籃放棄萊斯 大滿貫收官獎金排名:林詩棟三冠60萬第1,孫穎莎第2王曼昱10萬第9 臺灣律師分析大S遺產劃分,S媽要錢得看汪小菲臉色,打臉光頭安排 臺媒曝大S家人鬆手,讓出撫養權給汪小菲,希望馬筱梅善待孩子 二線白酒暴雷,狼真的來了! 搭上比亞迪,自動駕駛獨角獸,利潤大增170%! 炸裂!外資吹響“加倉中國”集結號背後:科技格局重塑與資產重估 這波夢幻西遊副本積分兌換真是血虧,四賜福的山賊值得買嗎? 《星戰亡命之徒》高階美工又回到CDPR 開發《巫師4》 《哪吒2》登陸北美,首映禮現好萊塢!有觀眾哭花眼妝:特效超預期,買票靠搶 曝張蘭被封年損失近4億,麻六記絕地自救太壯觀,員工曬張蘭近況

©2024 時時頭條 版權所有

隱私政策 | 服務條款 | 聯繫我們