天津科技大学在锌离子电池领域取得重要研究进展
天津科技大学在锌离子电池领域取得重要研究进展
天津科技大学徐婷副教授和司传领教授团队在锌离子电池领域取得重要研究进展。他们基于生物质材料的独特优势，开发出一系列高性能锌离子电池功能材料，相关研究成果发表在国际知名期刊《Energy Storage Materials》上。
研究背景
锌离子电池作为一种新型储能技术，具有成本低、安全性高、环境友好等优点，近年来受到广泛关注。然而，锌离子电池在实际应用中仍面临一些挑战，如负极材料在充放电过程中易出现枝晶生长、析氢反应等问题，正极材料则面临结构坍塌、溶解等挑战，这些问题严重影响了电池的容量和循环性能。
生物质材料以其独特的化学结构和物理特性，为解决这些问题提供了新的思路。生物质材料不仅具有环境友好性，其丰富的表面官能团和多样化的结构使其在锌离子电池中展现出独特的优势。例如，生物质材料可以调节锌负极的成核和沉积行为，其表面官能团可以作为氢键结合位点，制备高性能电解质材料。
研究内容
生物质基功能材料的制备
生物质材料具有良好的可加工性，通过不同的制备手段，可以构建出多种生物质基功能材料，包括一维纤维、二维薄膜/纸以及三维气凝胶/水凝胶等。这些多样化的结构形式不仅拓宽了生物质材料的应用范围，同时也使得它们能够更好地适应不同电池设计需求。
图2. 生物质基功能材料的制备方法。
生物质基功能材料用于锌离子电池负极
负极材料是决定锌离子电池电化学性能的重要部分。锌箔通常被用作锌离子电池的负极材料，但其利用率低导致锌离子电池的比容量较低。通过表面改性可以构建界面层来防止负极与电解质的直接接触，从而保证Zn2+的均匀沉积，形成平坦的沉积层，并通过物理限制或静电相互作用使Zn2+进行二维扩散。
Liu等人在锌负极表面用Zn（CF3SO3）2构建了离子亲和型醋酸纤维素涂层（CAZ）。由于极性酯基（C=O）与锌盐（Zn2+）之间的络合作用，CAZ聚合物涂层增强了锌负极的亲水性，降低了界面阻力，使Zn2+在水溶液中快速扩散，使锌沉积均匀，成核均匀，抑制锌枝晶的形成和生长。因此，对称的CAZ@Zn//CAZ@Zn电池在1 mA cm-2的电流密度下实现了2800 h的可逆循环，比裸锌箔高约7倍。
图3.（a）CAZ具有高离子电导率可以抑制Zn阳极钝化和腐蚀；（b）锌负极与电解质的接触角；（c）对称Zn//Zn和CAZ@Zn//CAZ@Zn电池在1 mA cm-2下的长周期图；（d）锌负极的接触角；（e）制备碳气凝胶示意图；（f）0.5 mA cm-2的电流密度下，锌箔与Zn@CA对称电池的循环示意图；（g）电流密度为1 A g-1时柔性纤维型锌离子电池的循环性能。
生物质基功能材料用于锌离子电池正极
正极材料决定了锌的存储位置，这在很大程度上决定了锌离子电池的电压和容量。常见的正极材料包括锰基、钒基氧化物、层状硫化物等，由于Zn2+与正极主体之间存在静电斥力，导致插入过程缓慢、电化学性能不佳。近年来，人们对生物质基正极材料进行了大量的研究。
Yue等人制备一种细菌纤维素（BC）基三维网络正极支架，以稳定宿主材料并提供足够的离子通道。采用预碳化和预吸附Mn盐法制备了纳米碳纤维/Mn3O4 复合材料（CNFs@Mn3O4）。同时，利用具有高离子电导率和柔韧性的BC水凝胶电解质，制备了CNFs@Mn3O4/BC电解质/Zn全电池，其在0.1 A g-1下可达到415.2 mAh g-1的高容量。经过1000次循环后，电池的库仑效率达到99%以上，容量保持率达到88.2%。
生物质基功能材料用于锌离子电池电解质
电解质的设计不仅有利于改变氧化还原电位，而且有利于调节副产物和抑制副反应发生。锌离子电池的电解质分为有机电解质、离子液体电解质、固态电解质、水溶液电解质和水凝胶电解质。其中，水电解质是最广泛使用的，而水凝胶电解质通常用于制备柔性电池。
生物质材料稳定的化学和物理特性可以增强电解质的抗碱、酸和盐腐蚀能力。此外生物质材料还可以作为水性电解质的添加剂，例如，将木质素衍生的碳量子点和原始木质素添加到水溶液中，可以吸附不均匀沉积在锌阳极表面的离子，它们可以通过参与离子对的组成来抑制副产物的形成。
总结与展望
通过生物质材料的表面改性、结构设计、界面复合，可以显著改善锌离子电池的应用问题，包括锌枝晶的形成、锌阳极的腐蚀、副产物的形成以及正极的溶解和结构坍塌。虽然生物聚合物基功能材料用于先进的锌离子电池已经显示出巨大的优势，但仍有一些问题需要解决。对于锌负极，具有丰富含氧官能团的生物质基材料可以减小界面电阻，增强Zn2+的快速扩散，但生物质基涂层的低电导率会增加Zn离子电池的内阻。设计将生物质与其他高导电性成分结合起来的复合材料来弥补电子导电性和耐腐蚀性的不足是至关重要的。对于锌离子电池的正极和电解质，许多工作设计提升电压窗口，但随着电压的增加，电解液的热力学稳定性也需要提高，深入研究Zn2+的存储机制并使用新的表征方法来准确地探索这些机制是十分重要的。
该研究不仅为锌离子电池的性能优化提供了新的思路，也为生物质材料的高值化利用开辟了新的方向。