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采用鋅金屬負(fù)極的水系電池具有安全性和低成本的特點(diǎn)，有利于儲(chǔ)能技術(shù)的多樣化，而它們的能量密度和可循環(huán)性長(zhǎng)期以來(lái)受到副反應(yīng)和枝晶問(wèn)題的限制，特別是在實(shí)際設(shè)備層面。盡管正在持續(xù)努力更新電極和電解質(zhì)，但到目前為止，隔膜等其他不可或缺的組件在電池運(yùn)行中的作用尚未完全被探索。

中科院青島能源所崔光磊、趙井文等開發(fā)了一種基于單離子功能化纖維素納米纖維(CNF)膜的多功能水系鋅電池隔膜，以提高水系鋅負(fù)極的可逆性和利用率。

圖1 材料表征

這種CNF隔膜結(jié)合了物理優(yōu)勢(shì)（即機(jī)械韌性、強(qiáng)親水性和均勻的孔分布）和優(yōu)先的Zn²⁺離子傳輸（Zn²⁺離子遷移數(shù)為 0.70 ± 0.12）。得益于高機(jī)械強(qiáng)度、單離子傳導(dǎo)、增強(qiáng)的親水性和低成本的組合，基于CNF的隔膜可以緩解鋅負(fù)極上發(fā)生的大多數(shù)不可逆問(wèn)題，包括析氫、腐蝕和枝晶生長(zhǎng)。此外，值得注意的是，使用這種隔膜組裝的電池只需滲入少量水（100 wt%的隔膜或在>75%相對(duì)濕度下平衡），并且不需要額外的鋅鹽。從基本的角度來(lái)看，吸水量有限的CNF膜不僅是一種隔膜，還可以作為高分子鋅鹽或凝膠固態(tài)電解質(zhì)。

圖2 半電池性能

研究顯示，即使不進(jìn)行電解液和電極優(yōu)化，這種功能化隔膜也可將鋅沉積/剝離的庫(kù)侖效率(CE)提高至99.5%，并使水系鋅負(fù)極在實(shí)用可行的貧電解液(E/C=1.0 g Ah^?1)和高面容量(8.0 mAh cm^?2)條件下實(shí)現(xiàn)>80%放電深度的穩(wěn)定循環(huán)。此外，這種隔膜也被證明可與各種儲(chǔ)鋅正極兼容，特別是對(duì)于高負(fù)載聚苯胺正極，在超過(guò)150次循環(huán)后仍保留了超過(guò)95%的初始容量。

另外，值得一提的是，作者報(bào)道的這種隔膜可以從各種生物質(zhì)來(lái)源中大量獲得，并且可以在現(xiàn)有造紙工藝的基礎(chǔ)上大規(guī)模制備，從而使材料成本低廉?？偠灾?，這項(xiàng)工作為高能量、長(zhǎng)循環(huán)的水系鋅金屬電池提供了一條簡(jiǎn)單而實(shí)用的途徑。

圖3 全電池性能

Single-Ion-Functionalized Nanocellulose Membranes Enable Lean-Electrolyte and Deeply Cycled Aqueous Zinc-Metal Batteries. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202200429

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崔光磊/趙井文AFM：生物質(zhì)衍生單離子功能化納米纖維素隔膜

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