首都师范大学王勇课题组，EnSM：有机改性蒙脱土作为高性能可充电锌离子电池电极保护层

第一作者：王勇

通讯作者：王勇*

单位：首都师范大学

目前，可充电水系锌离子电池总是遭受严重的容量衰减、电极的严重腐蚀、寄生副反应、Zn枝晶和内部短路故障，从而限制了锌离子电池最终的实际应用。在阳极/阴极上合理地构造保护层是一种高效且简便的应对以上问题的策略。蒙脱土作为一种廉价且环境友好的粘土矿物越来越多的被应用于电极保护层材料，其制备方法简单易于推广。

然而，原始蒙脱石层间距有限（1.2-1.5 nm）不足以实现Zn²⁺的快速迁移，而且蒙脱土中作为Zn²⁺长期迁移途径的层间缺乏强有力的支撑，不利于锌离子电池的倍率性能和长期循环表现。

基于此，来自首都师范大学的王勇副教授课题组，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Highly ZnZn²⁺-Conductive and Robust Modified Montmorillonite Protective Layer of Electrodes toward High-Performance Rechargeable Zinc-Ion Batteries”的研究文章。该文章通过制备层间距拓宽且结构坚固的有机柱撑蒙脱土，并将其用作锌离子电池电极保护材料，实现改善的电化学性能。

图1. (a) RMMT结构特征示意图；(b) 用于OMMT的CTAB 阳离子插入/表面吸附示意图；(c) ZnOMMT层间Zn²⁺转移示意图；(d-h) CTAB柱撑有机蒙脱土混合ZnSO₄/MnSO₄液体电解质(ZnOMMT)作为锌离子电池电极保护层的制备方案。(i) RMMT, (j) OMMT, (k) ZnOMMT-4, (l) ZnRMMT 的光学图像。

蒙脱土作为一种廉价且环境友好的粘土矿物越来越多的被应用于电极保护层材料，然而，原始蒙脱石层间距有限（1.2-1.5 nm）不足以实现Zn²⁺的快速迁移，而且蒙脱土中作为Zn²⁺长期迁移途径的层间缺乏强有力的支撑，不利于锌离子电池的倍率性能和长期循环表现。因此，本文提出使用具有长碳链的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）取代原始蒙脱土层间（1.5 nm）可交换的Na⁺，来实现蒙脱土层间距的 拓宽（1.93 nm）。

蒙脱土拓宽的层间距为水合锌离子的插层和传输提供了快速的离子通道；并且，CTAB阳离子作为蒙脱土层间强有力的柱撑，可以提高蒙脱土作为锌离子电池电极保护材料深度循环之后的结构稳定性。

要点二：具有低成本、高离子电导率和Zn²⁺迁移数的保护层

以蒙脱土为代表的一类粘土矿物通常具有价廉易得的特点，储量丰富，具有很高的应用潜力。具有拓宽的层间距的有机蒙脱土作为锌离子电池的电极保护材料涂覆在电极表面，为锌离子传输提供快速均匀的离子通道，进而实现提高的离子电导率和锌离子迁移数，最终抑制了锌负极枝晶的生长和不可逆副反应的发生。

要点三：缓解 Zn负极腐蚀和MnO₂ 溶解

弱酸性的水性电解液不可避免的会对锌负极产生严重的腐蚀，氧化锰正极在水中的溶解也会限制锌离子电池容量的提升。通过疏水的CTAB阳离子的大量引入，蒙脱土的疏水性进一步提高，这种疏水的有机蒙脱土保护层涂覆在电极表面，可以隔绝酸性电解液与电极的直接接触，从而减少了对电极的腐蚀和溶解。

要点四：前瞻

有机柱撑策略也可以扩展到其它具有层状结构的且作为水系电池系统阳极/阴极保护层的粘土，从而激发环保和廉价粘土在可充电水系电池中的应用潜力。

Highly Zn²⁺-Conductive and Robust Modified Montmorillonite Protective Layer of Electrodes toward High-Performance Rechargeable Zinc-Ion Batteries

王勇副教授简介：王勇，博士，现为首都师范大学化学系副教授。2001年本科和2004年硕士毕业于中南大学，2008年7月在中国科学院过程工程研究所完成博士学位。目前主要从事纳米结构材料在锌离子电池和锂离子电池上的应用研究。在Chem. Eng. J.，Energy Storage Mater.，Chem. Comm.， J. Power Sources ，ACS Appl. Mater. Interfaces ，J. Mater. Chem.， Electrochimica Acta 等期刊发表学术论文40多篇。

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