胡良兵Matter：一种可持续的壳聚糖-锌电解质助力高倍率锌金属电池

Nanoyu

2022-09-04

可充电锌金属水电池有望满足电网储能需求，但其应用受到锌枝晶形成等问题的限制。

近日，马里兰大学胡良兵教授，休斯顿大学Yan Yao展示了一种用于高倍率和长寿命锌金属电池的生物聚合壳聚糖-锌凝胶电解质，其特征在于高离子电导率、机械强度和可持续性的强组合，同时还能够在负极表面上实现平行六边形锌片晶(而不是锌枝晶)的理想沉积形态。

文章要点

1）壳聚糖是一种环境友好且可生物降解的生物聚合物，来源于自然界丰富的甲壳质，甲壳纲动物的壳中广泛存在甲壳质。壳聚糖分子中含有丰富的羟基和胺基，可与水形成氢键，降低壳聚糖锌凝胶电解质中的自由水含量。

2）通过首先在Zn²⁺饱和的NaOH溶液中使壳聚糖生物聚合物与Zn²⁺配位，然后通过压缩材料挤出多余的水，形成致密的壳聚糖-Zn膜，来制造这种凝胶电解质。在致密化之前，多孔壳聚糖-Zn含有大量的水，导致不受控制的Zn沉积，容易形成苔藓状枝晶。然而，通过致密化来定制水含量，将含水电解质限制在纳米级微孔，可以实现高Zn²⁺离子电导率(72 mS cm^-1)除了在高电流密度（5-50 mA cm^-2）下在锌负极上电沉积锌作为平行板。这种形态有助于防止界面副反应和枝晶渗透。

3）结果表明，具有致密化壳聚糖-锌电解质的锌负极表现出优异的可逆性，在50mA·cm^-2下具有99.7%的高库仑效率和大于1000次循环的长循环寿命。使用壳聚糖-锌电解质和具有高质量负载（10 mg cm^-2），展示了具有高面容量（2.3 mAh cm^-2）以及良好的循环稳定性(2 C下，4 mA cm^-2容量超过 400个循环)。此外，壳聚糖-锌电解质是不可燃和可生物降解的，当与可生物降解的有机正极和可回收的锌金属负极配对时，可以制造安全和环保型锌金属电池。

壳聚糖-锌电解质的这些优点不仅使高倍率和耐用的锌金属电池成为可能，而且表明天然生物聚合物在可持续和绿色储能应用方面的潜力。

参考文献

Wu et al., A sustainable chitosan-zinc electrolyte for high-rate zinc-metal batteries, Matter (2022)

DOI：10.1016/j.matt.2022.07.015

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.07.015