阿德莱德大学乔世璋院士， Angew：抗溶胀微孔膜提升锌-碘电池的容量与稳定性

第一作者：陈倩如，郝俊南，朱奕龙

通讯作者：乔世璋*

单位：阿德莱德大学

水系锌基电池在大规模储能领域中展现高安全性和低成本的优势。其中，锌-碘（Zn-I₂）电池因其碘元素具备快速反应动力学、丰盈的储量（海水中含量为55 µg/L）及适宜的电位（+0.536 V vs. SHE），而受到广泛研究。然而，尽管Zn-I₂电池前景广阔，实际推广仍面临诸多挑战。首先，多碘化物中间体的溶解会导致其向锌负极扩散，从而引发“穿梭效应”，导致库仑效率（CE）降低、自放电严重及容量迅速衰退。其次，锌离子沉积的不均匀性容易引发枝晶生长，进而导致副反应发生，甚至可能引起短路。

目前，众多研究致力于开发能够有效吸附多碘离子的正极材料。然而，为了显著抑制穿梭效应，通常需要使用大量这种材料，并且它们不能解决锌负极上枝晶生长的问题。电解质策略可以同时控制穿梭效应和促进均匀Zn2+沉积，例如使用凝胶电解质、高浓度盐溶液、悬浮液或共晶电解质。然而，这些复杂的电解质配方可能会导致制造成本上升、能量密度下降，并影响水系电解液的离子导电性。作为电池中的关键组件，隔膜的结构优化能够有效减缓穿梭效应和抑制锌枝晶的形成，同时保持电池的能量密度。水系电池中使用的玻璃纤维（GF）膜在离子选择性方面存在不足，导致多碘离子任意扩散。此外，GF膜的大孔径结构和较低的机械强度使其易被锌枝晶穿刺。阳离子交换膜是一种有效的解决办法，因其能够优先允许阳离子的迁移，并抑制阴离子的扩散，同时其弹性聚合物基质提供了足够的机械韧性，抵抗枝晶的穿刺。虽然商用Nafion膜在Zn-I₂氧化还原液流电池中已有应用，但是其价格昂贵，每平米高达3500美元。此外，Nafion膜由柔性聚合物制成，这使得其离子通道在电解液中容易溶胀，从而降低了离子选择性。

近日，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋院士课题组在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed. 上发表题为“Anti-swelling Microporous Membrane for High-capacity and Long-life Zn-I₂ Batteries”的文章，该文章报道了一种由刚性聚合物制成的低成本阳离子交换膜。

研究人员合成了一种刚性的9-苯基-9-(三氟甲基)-9H-芴单体，该单体能够限制聚合物链的运动，从而减少隔膜在电解液中的溶胀，避免因离子通道扩张而降低离子选择性。合成的polyPTX膜的线性膨胀率仅为5%，远低于Nafion117（N117）的22.1%；其阳离子迁移数为0.91，高于N117膜的0.83。使用polyPTX膜组装的Zn-I₂电池在充满电后静置48小时，自放电率仅为4.47%，相比之下，N117电池的自放电率为34.76%，GF电池的自放电率更高，达到了75.51%。

离子通道网络中的磺酸基团引导Zn²⁺的流动，使其均匀地流向负极界面，防止Zn²⁺向“尖端”处自发聚集，从而促进Zn²⁺的均匀沉积。由polyPTX膜组装的Zn-Zn对称电池能够稳定充放电2000小时，而使用GF膜的对照组则只能稳定运行210小时。

纽扣电池在经过10000次循环后的容量保持率高达96.1%，高碘载量软包电池在循环400圈后的容量保持率为99.57%。

Anti-swelling Microporous Membrane for High-capacity and Long-life Zn-I₂ Batteries