AFM: 用于长寿命、坚固层压锂锌结构电池的增强型壳聚糖聚合物电解质

文章总结

水系锌（Zn）基结构电池将电化学储能与机械承载能力相结合，因其环保和安全的特性，在下一代电动汽车储能领域具有广阔的应用前景。然而，诸如枝晶形成、阳极腐蚀和副反应等挑战限制了其实际应用。聚合物电解质，尤其是水凝胶，能够缓解这些限制，但通常机械性能较差，这会危及结构的坚固性。本文提出将纤维素纳米纤丝（CNF）增强的壳聚糖作为一种新型的水系锌基结构电池用聚合物电解质体系。壳聚糖基体是一种可水化的塑性材料，其机械性能优于水凝胶，能够调控锌离子（Zn²⁺）的溶剂化鞘层，从而提升电池性能。当与起增强作用的纤维素纳米纤丝结合时，壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝电解质会形成一种坚固的多功能材料。一种基于壳聚糖的胶水改善了锌 || 壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 4|| 锂锰氧化物（LMO）- 碳纤维（CF）层压电池中电极与电解质之间的界面，展现出优异的电化学性能，循环稳定性超过 4500 小时，容量保持率达 90%。层压工艺还增强了电池的性能，实现了约 8.48 吉帕的令人印象深刻的拉伸模量。锌 || 壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 4|| 锂锰氧化物 - 碳纤维电池具有高度的抗变形能力和耐滥用性，自放电极小，使其无需额外支撑即可适应复杂的结构。其结构完整性和空间效率使其能够无缝集成到基础设施中，是一种很有前景的低成本、可持续且高性能的储能解决方案。

图文简介

a) 壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝（CNF）聚合物薄膜制备过程的示意图，即在将壳聚糖凝胶加入溶液之前先分散纤维素纳米纤丝。在溶液中混入 1%（质量分数）的甘油后进行流延和干燥操作。干燥后对壳聚糖 - CNF 薄膜进行中和与交联处理。b) 由锂锰氧化物 - 碳纤维（LMO-CF）、壳聚糖 - CNF 聚合物电解质和锌金属阳极组成的层压结构电池复合材料的示意图。c) 层压结构复合材料的扫描电子显微镜（SEM）截面图像。d) 层压结构电池复合材料作为单一复合结构时锂锰氧化物 - 碳纤维阴极面和锌金属阳极面的数码照片。

a,b) 随着双 (三氟甲烷磺酰) 亚胺锂（LiTFSI）添加及浓度增加时傅里叶变换红外光谱（FTIR）的变化情况。a) 虚线箭头表示与双 (三氟甲烷磺酰) 亚胺锂（LiTFSI）相关的不同伸缩振动和键合模式下的峰位置及其位移；b) 虚线箭头表示壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - X（X = 0、1、3 和 4）中与水含量相关的峰位置的降低及其位移。c) 对壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - X（0、1、4）中含水量的选定热重分析（TGA）。d) 应力 - 应变拉伸图，展示了选定的壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - X（0、1、4）的杨氏模量（E）。e) 对不同的壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - X（X = 0、1、4）样品的熔点曲线的差示扫描量热法（DSC）分析。f) 在 3000–3800 cm⁻¹ 范围内选定的拉曼光谱，比较了纯水、壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 1 和壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 4。g) 壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - X（X = 0、1、4）的线性伏安扫描（LSV），虚线表示每种聚合物电解质的击穿电压。h) 在壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 4 上的层压锂锰氧化物 - 碳纤维（LMO-CF）和锌箔的循环伏安（CV）曲线，与在壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 4 上非层压的锂锰氧化物 - 碳纤维（LMO-CF）和锌箔在 0.5 mV s⁻¹ 扫速下的循环伏安曲线进行对比。i) 应力 - 应变拉伸图，展示了层压有锂锰氧化物 - 碳纤维（LMO-CF）的壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 4 以及分别在壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 4 薄膜两侧由锂锰氧化物 - 碳纤维（LMO-CF）和锌箔组成的层压复合薄膜的杨氏模量（E）。

基于层压的壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 1（ChitosanCNF-1）和壳聚糖 - 纤维素纳米纤丝 - 4（ChitosanCNF-4）电化学性能

a) 电化学行为（在变形情况下）：层压的锌 || 壳聚糖纳米纤维素复合材料 4（ChitosanCNF-4）|| 锰酸锂 - 碳纤维（LMO-CF）软包电池在不同极限弯曲角度下的库仑效率和循环性能。b) 物理损伤：切割并暴露软包电池同时保持其开路电压（OCV）。c) 在原型中的概念应用：将层压的锌 || 壳聚糖纳米纤维素复合材料 4（ChitosanCNF-4）|| 锰酸锂 - 碳纤维（LMO-CF）软包电池集成到原型风车的一面壁中，当太阳能板（原型的一部分）连接到电池时，它会对软包电池充电。d) 当太阳能板断开连接时，层压的锌 || 壳聚糖纳米纤维素复合材料 4（ChitosanCNF-4）|| 锰酸锂 - 碳纤维（LMO-CF）软包电池放电，在没有任何外部能源的情况下为风车供电。e) 仅由太阳能板对层压的锌 || 壳聚糖纳米纤维素复合材料 4（ChitosanCNF-4）|| 锰酸锂 - 碳纤维（LMO-CF）软包电池的充电曲线进行量化。

论文信息

通讯作者：Madhavi Srinivasan