【能源】东北师范大学JACS：壳聚糖多功能粘结剂助力实现高性能水系锌碘电池- 大数跨境

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2024-03-02

导读：近日，东北师范大学吴兴隆教授、曹峻鸣博士团队首次从粘结剂的角度来尝试解决锌碘电池所面临的挑战，并基于壳聚糖提出了一种的新型 Janus 功能粘结剂。

目前，水系锌碘电池被认为是电化学储能器件中极具潜力的选择之一，主要得益于较高的理论比容量与能量密度，以及优异的倍率性能。与此同时，水系锌碘电池采用的原材料丰富且成本低廉（碘储量：55 µg L^-1），这使其在可持续性和经济性方面相较于其他储能技术具有独特的优势。此外，水系锌碘电池出色的安全性能，为储能系统的可靠运行提供了保障。然而，水系锌碘电池目前还面临着诸多挑战：（1）碘正极中碘物种的低电导率与迟缓的转化动力学，会导致较低的库伦效率；（2）宿主材料的体积膨胀也是亟待解决的问题，会导致电池的结构的不可逆损伤以及循环稳定性的下降；（3）多碘离子扩散所引起严重的穿梭效应，会导致电池容量与循环寿命的快速衰减。

针对上述问题，研究人员正在积极进行探索和改进。近日，东北师范大学吴兴隆教授、曹峻鸣博士团队首次从粘结剂的角度来尝试解决锌碘电池所面临的挑战，并基于壳聚糖提出了一种的新型 Janus 功能粘结剂。壳聚糖（CTS）可以广泛从自然界中获取，并且具有丰富的氢键基团和独特的离子配位能力。这些特性赋予了CTS分子独特的双螺旋结构特征，并且能够形成多个氢键交联网络。这种结构所形成的坚固框架，可以有效地限制电极材料的膨胀行为以及碘物种的穿梭行为。从官能团的角度来看，CTS分子中的极性基团（-NH₂、-OH、-O-）与碘物种具有很强的亲和力，这也会促进碘的准还原催化转化率，共同抑制穿梭效应，这是直链 PVDF 粘结剂无法实现的。

图1. (a) CTS 的结构和多碘化物包合物的形成示意图。(b) CTS@I₃^- 与 CTS 的 N 1s 和 O 1s XPS 图谱 (c) 揭示 CTS 捕获多碘化物过程的照片。

CTS粘结剂可以显著改善水系锌碘电池性能的根本原因主要归因于CTS作为功能粘结剂的“Janus”特性。传统的PVDF粘结剂的结构呈线性特征，分子链中只有化学稳定的C-H和C-F键，这决定了其功能上的单一性。相反，CTS的结构呈双螺旋特征，并富含各种功能基团，可以发挥独特的“Janus”功能。CTS中含有的N位点在电催化过程中也有重要作用。同时，凭借CTS独特的强金属离子络合能力，可以确保正极材料不会因 Zn²⁺ 的过度冲击而塌陷。

图2. CTS 电池和 PVDF 电池的优势比较。

总而言之，研究团队成功开发了一种基于CTS的低成本、多功能水性粘结剂，用于制备高质量的碘正极。凭借着CTS出色的成膜特性，这种粘结剂能够稳定、均匀地分散碘负载。CTS粘结剂的多重氢键网络赋予其良好的机械性能，使其能够承受电极膨胀的效应。此外，CTS的双螺旋结构和丰富的极性官能团对碘物种的物理和化学吸附以及碘的氧化还原动力学起到积极的促进作用。这使得水系锌碘电池能够展现出高容量和循环稳定性（在0.2 A g^-1条件下，经过1500次循环后，容量仍为144.1 mAh g^-1）。更为特别的是，CTS是具有可降解性与可回收性的，赋予了水系锌碘电池良好的可持续性。这项研究首次从粘结剂的角度克服了水系锌碘电池的穿梭效应，为今后提高ZIBs的性能提供了新的思路。

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章通讯作者为东北师范大学吴兴隆教授与曹峻鸣博士，文章的第一作者是东北师范大学博士研究生杨佳霖。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Janus Binder Chemistry for Synchronous Enhancement of Iodine Species Adsorption and Redox Kinetics toward Sustainable Aqueous Zn–I₂ Batteries

Jia-Lin Yang, Han-Hao Liu, Xin-Xin Zhao, Xin-Yi Zhang, Kai-Yang Zhang, Ming-Yang Ma, Zhen-Yi Gu, Jun-Ming Cao*, and Xing-Long Wu*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c12638

研究团队简介

吴兴隆，东北师范大学教授，国家级高层次青年人才、吉林省拔尖创新人才。主要从事电池储能材料、废旧锂电回收与再利用等研究工作。已发表通讯作者论文200多篇，H指数为76，已获授权发明专利20项；主持了国家重点研发计划战略性科技创新合作重点专项、国家自然科学基金委重大研究计划和吉林省科技厅中青年科技创新卓越人才团队等十余项研究课题。

https://www.x-mol.com/university/faculty/56466

曹峻鸣，东北师范大学师资博士后，博士毕业于吉林大学，吉林省优秀博士学位论文获得者，曾赴新加坡南洋理工大学，澳大利亚昆士兰大学等国外高校进行学术交流。主要从事用于新型多价态金属离子电池的层状材料结构设计与物性调控等研究工作，相关研究成果以第一/通讯作者身份在Prog. Mater. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、 ACS Nano等期刊；Adv. Powder Mater. 青年编委；主持基金委青年科学基金，中国博士后特别资助（站中）、面上项目，吉林省科技厅人才专项等科研项目，参与科技部国合重点专项、基金委联合基金等研究课题。

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