南大《Adv Mater》：锌碘电池要来了吗？MOF大大提高性能！学术资讯

来源：材料科学与工程

导读：本文指出锌碘电池容量下降主要是Zn负极受到水和碘离子的腐蚀，并通过制备金属有机框架（MOF）离子筛薄膜有效的阻断了Zn与其直接接触，大大提高了电池的稳定性。使得锌碘电池的商业化应用进程又迈出了一大步，为后续可充电锌碘电池的研发提供了指导和参考。

可充电水系锌碘电池凭借自身成本低廉，安全性高等优点，被认为是下一代储能体系的有力竞争者之一。但是锌碘电池中阴极的I3-/I-离子的氧化还原反应和穿梭效应导致循环过程中容量和库伦效率逐渐降低，严重阻碍了其进一步发展应用。

近日，南京大学周豪慎教授及其团队通过制备MOF多功能离子筛作为隔膜应用于锌碘电池中，有效地限制了碘离子的穿梭效应，同时减缓了锌负极上的副反应，大大提高了锌碘电池的循环稳定性。相关论文以题为“A Metal-Organic Framework as a Multifunctional Ionic Sieve Membrane for Long-Life Aqueous Zinc-Iodide Batteries”在Advanced Materials上发表。

水系锌碘电池是负极为锌负极，电解液为水系溶剂的新型二次电池体系，具有成本低廉、安全性好、原料丰度高等诸多优点。但锌碘电池一直未解决碘离子的穿梭效应，而且对于锌负极上的副反应的理解也较为浅显，所以目前锌碘电池的电化学性能远未达到人们日常应用的要求。限制碘离子的穿梭效应和锌负极的腐蚀反应，成为锌碘电池能否进一步发展的关键。

本文中，作者针对上述问题，利用MOF材料丰富的多孔结构，成功制备了Zn-BTC多功能分子筛，有效地解决了聚丙烯隔膜或玻璃纤维隔膜无法限制多碘化物穿梭效应的问题。通过V型管光学观测，该薄膜可有效抑制I3-离子的渗透。同时作者通过原位电化学质谱法和气相色谱-质谱法对锌负极进行表征，发现随着反应的进行，负极表面的腐蚀程度大大降低，OER反应也被明显抑制。

并且MOF分子筛的还可以实现Zn表面的溶剂化内层完全转化为CIP模式，抑制了锌枝晶的生长，使得锌负极可以连续循环700小时以上。最终，所组装的锌碘电池也表现了令人满意的电化学性能。即使在大电流下循环6000次后，电池依旧可以贡献85.1mA h g-1的比容量，高达，同时容量保持率和库伦效率分别达到84.6 %和99.65 %。

总的来说，作者利用多种表征手段，揭示了水和碘离子对锌负极的负面影响，并凭借MOF材料自身特殊的结构性能，有效抑制了碘离子的穿梭效应，并形成高聚集电解质层，有效地保护了锌负极，最终实现了锌碘电池的超长循环寿命和高库伦效率。该研究揭示了锌碘电池从实验室走向生产应用的潜力，对后续锌碘电池的设计研发具有重要的参考价值

图1 (a) 采用玻璃纤维隔膜和Zn-BTC隔膜的锌碘电池示意图；(b)-(c) 玻璃纤维隔膜和Zn-BTC隔膜的渗透试验照片；(d) 自放电测试图；(e)-(f) 玻璃纤维隔膜和Zn-BTC隔膜循环后的拉曼测试图。

图2 (a)-(d) 使用玻璃纤维隔膜和Zn-BTC隔膜的拉曼光谱和红外光谱测试结果；(e) 使用玻璃纤维隔膜和Zn-BTC隔膜的析氢析氧对比图；(f)-(g) 使用玻璃纤维隔膜和Zn-BTC隔膜后锌负极的SEM图；(h)-(i) 两种隔膜对锌负极的影响示意图。

图3 (a) 不同浓度硫酸锌溶液和MOF空中电解液的拉曼光谱图；(b)稀硫酸锌电解液和高聚合的电极液溶剂化模型；(c)-(f) 循环后两种隔膜的SEM图；(g)-(i) 锌对称电池循环测试图。

图4样品的电化学测试结果。

来源：mse_material 材料科学与工程

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