生物基儲能材料應(yīng)用得到拓展

據(jù)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)學(xué)院2023 年9 月20 日（Adv Mater，2023 Sep 20:e2304667.doi:10.1002/adma.202304667.）報道，該學(xué)院針對鋅離子電池存在的鋅枝晶生長、析氫、腐蝕等一系列問題，對具有交聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和高彈性模量的細(xì)菌纖維素膜進(jìn)行修飾改性，設(shè)計制備出一種能夠均勻熱/電場分布的細(xì)菌纖維素基鋅離子電池隔膜，滿足電池在高溫、高電流密度等嚴(yán)苛條件下的長時間穩(wěn)定運(yùn)行，從而進(jìn)一步拓展了生物基材料的應(yīng)用場景。

水系鋅離子電池具有資源豐富、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，在固定式儲能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。 目前商用鋅離子電池采用玻璃纖維隔膜，其價格高昂且孔徑分布不均勻，不利于鋅離子的均勻傳輸；此外，玻璃纖維隔膜的厚度高達(dá)數(shù)百微米，會顯著降低電池的體積能量密度、增大電池內(nèi)阻，最終劣化電池的倍率性能。 因此，開發(fā)具有均勻孔隙結(jié)構(gòu)、高離子電導(dǎo)率和價格低廉的超薄隔膜仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

纖維素是地球上最為豐富的生物質(zhì)資源，具有易降解、可再生、無毒性且廉價易得等優(yōu)點。 其中細(xì)菌纖維素結(jié)晶度高、富含羥基官能團(tuán)，纖維素之間的氫鍵作用較強(qiáng)，這賦予了纖維素膜理想的機(jī)械性能、優(yōu)異的親水性、均勻的孔結(jié)構(gòu)和高絕緣性，是一類理想的玻璃纖維隔膜的替代物。 纖維素隔膜在鋅離子電池中的應(yīng)用可有效抑制電池析氫反應(yīng)的發(fā)生和鋅枝晶的生長，并提高鋅金屬電池的反應(yīng)動力學(xué)和可逆性，從而大幅提升鋅離子電池作為可再生能源大規(guī)模儲能器件的應(yīng)用潛力，這對于構(gòu)建清潔、低碳、安全的現(xiàn)代能源體系及促進(jìn)中國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。

鑒于此，化學(xué)學(xué)院生物質(zhì)電能源化學(xué)研究室，利用簡單的抽濾工藝，以細(xì)菌纖維素和銀納米線為原料，制備了一種具有豐富親鋅位點、均勻孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度的超薄雙面異性細(xì)菌纖維素基鋅離子電池隔膜。其中具有優(yōu)異導(dǎo)電/熱性的銀納米線均勻分布在雙面異性隔膜一側(cè)，可以作為離子泵加速鋅離子傳輸并提供均勻熱/電場，誘導(dǎo)致密且無枝晶的鋅沉積；而另一側(cè)保持細(xì)菌纖維素隔膜的原始形態(tài)，可有效隔絕正負(fù)極。 利用原位X 射線衍射光譜、原位光學(xué)顯微鏡和理論計算對隔膜改性鋅沉積行為的機(jī)制進(jìn)行了深入研究，證實了該細(xì)菌纖維素基隔膜在誘導(dǎo)Zn 沿（002）晶面均勻生長方面發(fā)揮了重要作用。 基于該細(xì)菌纖維素基隔膜組裝的Zn||Zn 對稱電池可以在80 mA/cm2的超高電流密度和50 ℃溫度下穩(wěn)定工作。與此同時，即使在50 ℃的高溫條件下，以此細(xì)菌纖維素基隔膜組裝的鋅離子電池在5 A/g 的電流密度下循環(huán)500 次后仍能保持318.1 mAh/g 高放電比容量，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。