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广西大学，Chemistry-A European Journal：隔膜设计策略加速可充电水系锌电池的开发

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2024-02-18

导读：广西大学，Chemistry-A European Journal：隔膜设计策略加速可充电水系锌电池的开发

文章信息

隔膜设计策略加速可充电水系锌电池的开发

第一作者：杜禾

通讯作者：沈芳*，何会兵*

单位：广西大学

研究背景

由于优异的安全性和地质中锌元素的丰富储量，近年来，水系锌电池（ZIBs）作为一个重要的研究课题重新浮出水面，被认为是能够取代锂电池进行大规模储能的潜在下一代二次电池系统，然而其体系中的固有问题，包括锌阳极枝晶生长、析氢反应（HER）和钝化层生成等降低了其稳定性，限制了实际应用。

作为电池中的重要部件，隔膜的存在确保了电池的安全运行，在实际应用中，改性隔膜通过与其他部件相互作用，实现了丰富的离子传输调控和隔膜/电解液界面相互作用性能，可以针对各种棘手问题提供专门化的解决方法，从而确保ZIB的长期稳定运行。

文章简介

近日，广西大学何会兵副教授等人在国际知名期刊Chemistry-A European Journal上发表题为“Separator Design Strategies to Advance Rechargeable Aqueous Zinc Ion Batteries”的综述文章。本文综述了ZIBs研究中隔膜的分类，详述了不同种类隔膜的特点与性能的关系与常见的改性方法。而后，介绍了隔膜对于ZIBs中各个方面问题的调控作用，并着重介绍了各种问题的机理和对应的隔膜设计策略。

图1 ZIB问题概览，包括电解质、阴极和阳极问题。

本文要点

要点一：隔膜分类以及隔膜性能衡量指标

首先，本文根据隔膜的基底进行分类，将通用的隔膜分为玻璃纤维基底，人造高分子基底，天然高分子基底，揭示了其不同孔隙结构，机械性能和电解液亲和性的来源，详述了特点与性能的关系与不同基底隔膜常见的改性方法。随后提出了一些通用的隔膜设计标准，如成本、制备复杂性、拉伸强度、厚度、可回收性、循环性能和多功能性。

图2 不同基底隔膜性能对比和隔膜设计的未来研究重点

要点二：隔膜改性调控ZIBs问题的策略

ZIB实际应用中所面对的问题包括ZIB储能系统的固有问题和采用特定电池组件（钒基正极、硫/碘正极等）所引入的问题，可以归类为锌阳极相关问题（枝晶生长、HER和钝化层生成），阴极问题（活性物质溶解和穿梭效应），电解液问题（不受约束的锌离子传输方式和富含活性水的溶剂化鞘结构）等。本文主要介绍了隔膜研究中应对各种问题的策略和一些代表性的实例。

要点三：隔膜研究中的先进表征、模拟和计算方法

本文综述了以原位可视化技术（3D激光扫描、原位光学显微镜等）为主的先进表征技术在隔膜研究中的应用实例和意义，系统地分析了采用过程模拟（电场模拟、离子场模拟）揭示实验中的固有模式，提供解释实验结果的框架的可行性，也着重展示了DFT计算方法在ZIBs中的应用实例，包括结合能、离子迁移能和界面电荷分布等。

图3 ZIB分离器研究中的先进表征、模拟和计算方法。a) 锌阳极表面的原位观察图像和3D激光图像。b)电沉积过程中锌阳极表面的原位光学图像。c) 对称电池电场分布模拟图。d) 锌离子浓度分布模拟图。氧，氮参杂的石墨烯的e）构型、f）结合能和不同视角的g）电荷密度分布图。锌离子在隔膜中的i，h）不同穿梭路径示意图和对应的j）迁移能垒。k）H在不同不同锌晶面上的结合能

要点四：总结与展望

由于成本和安全性的优势，ZIBs在未来具有巨大的潜力，作者根据所提出的性能指标，对于ZIBs中的隔膜设计提出了通用的设计原则，以明确未来ZIBs隔膜发展的方向：

助力高性能：
高性能是隔膜设计的第一原则，这里指的性能超越了一般的实现长循环时间。
更包括实现多功能性，并考虑各种其他指标，包括深放电能力、高面积容量、不同电流密度下的循环性能、宽温域（-20～+60℃）下的稳定性、低N/P比和贫电解质的全电池循环等。
易于产业化生产：
隔膜设计的大规模应用难度与其制备过程的复杂性和原材料成本直接相关，制备过程中涉及的高难度、复杂性和精度阻碍了大多数分离器设计的大规模生产和利用。
一般来说，人造聚合物和天然纤维由于其成本优势而更受欢迎。
但同时，应用已有的商业化的材料（包括称量纸、滤纸、纤维纸等）于ZIB隔膜的设计也是易于大规模生产的另一条途径。
电池安全性：
虽然得益于水系电解液的应用，ZIBs已经比锂电池更加安全，但是ZIB隔膜设计的安全性考虑主要集中在防止枝晶穿刺造成的短路上。
隔膜的抗穿刺能力等效于可以直接测量的抗拉强度，但是抗拉强度势必随着追求高性能低厚度的隔膜设计而被降低，所以平衡性能与安全性来设计隔膜厚度是隔膜设计中的重要一环。
绿色环保：
电池作为一种常见储能设备，其设计的环保性也值得关注。
理想的隔膜具有在天然环境下生物降解的能力，因此在这点上，天然纤维作为隔膜基底就最具有优势。

文章链接

Separator Design Strategies to Advance Rechargeable Aqueous Zinc Ion Batteries.

https://doi.org/10.1002/chem.202303461

通讯作者简介

何会兵副教授：2016年12月博士毕业于武汉大学，2017年1月入职于天津捷威动力工业有限公司，2019年3月在加拿大UBC大学刘健课题组从事博士后研究工作，2020年6月加入广西大学化学化工学院，硕士生导师。迄今为止主持国家自然科学基金青基1项，省部级项目3项，参与广西重点研发计划等项目多项。在Advanced Functional Materials, Advanced Science, Chemical Engineering Journal, Small等学术刊物上发表论文33篇，其中第一作者/通讯作者21篇（含4篇ESI高倍引论文和1篇封面论文），出版一部英文专著章节，并申请中国和加拿大专利10余件（已授权1件）。

沈芳副教授：沈芳，女，湖北天门人。1995就读于中国石油大学（北京），化学工程专业，获工学学士学位；1999年起工作于中国石油广西田东石油化工股份有限公司，主要从事石油润滑脂的研究及抗氧化剂的开发。2002年就读广西大学化学化工学院，林产化工专业，获工学硕士学位；2011年就读于广西大学化学化工学院，化学工艺专业，获工学博士学位。现供职于广西大学化学化工学院工和广西化工研究院，任学院工会副主席。在2008年和2020年被授予广西科技成果奖。研究方向包括先进储能装置和功能性聚合物材料。

课题组招聘

因课题研究需要，广西大学碳基资源催化转化课题组招聘工业热催化方向青年教师1~2名、优秀博士/博士后2~3名。团队现研究主要方向为：COx催化转化、废塑料和生物质资源高值化利用、可再生电化学及应用、新型储能材料与器件。