水系锌离子电池因其具有电化学性能优良、成本低廉、安全环保等优点，在大规模能源存储和智能电网等领域展现出广阔的前景。然而，水系锌离子电池中电极/电解液的界面反应存在几个关键问题：在离子存储过程中，电解液中的水合锌离子需要在正极界面脱去其外层水化壳，这一过程往往需要克服巨大的脱溶势垒，从而迟滞界面反应动力学；在去溶剂化过程中释放的活性水分子，会吸附在正极-电解液界面，诱发电极溶解；传统的正极材料电子电导率偏低，不利于界面电化学反应中电子的快速转移。因此，克服以上难题是实现水系锌离子电池未来产业化应用的关键。自然界中的真核生物细胞内外也存在着大量的界面物质输运行为，这些基于细胞膜界面的离子或分子的输运不仅可以高效地调控细胞内外粒子的选择性输运和渗透压的平衡，而且还能维持细胞结构的完整性。
图1细胞膜双亲性结构与仿生疏水导电膜的设计概念图
受启发于细胞膜基本骨架的“疏水-亲水”磷脂双分子界面层有助于降低脂质分子的迁移自由能，重庆大学CQU-NUS新能源材料与器件联合实验室的李猛课题组通过原位聚合在亲水性的氧化锰（α-MnO2）基体表面可控修饰了疏水性聚(3,4-乙烯二氧噻吩) (PEDOT)导电聚合物膜，构建了具有类细胞膜结构的仿生双亲性电极-电解液界面，并将制备的复合电极应用于水系锌离子电池领域。通过电化学测试和理论计算结果表明，修饰的仿生疏水导电膜的可以有效提高电极的电子电导率，加速水合锌离子的界面脱溶反应，限制界面水分子的吸附行为，从而提升电池体系的界面反应动力学和循环寿命。该研究近期以“Construction of Bio-inspired Film with Engineered Hydrophobicity to Boost Interfacial Reaction Kinetics of Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题在期刊Small上发表，博士生苟倩志和硕士生罗号燃为本文的共同第一作者，该工作同时得到了厦门大学侯旭、郑靖教授、新加坡国立大学Junmin Xue教授的支持和指导。
图2 组装的全电池倍率性能测试和电化学动力学行为分析
图3 理论计算分析仿生膜的存在对界面锌离子迁移行为的作用机制
作者对修饰了仿生导电膜的复合电极进行储锌性能测试，结果表明复合电极的循环稳定性和倍率性能均具有一定的提升。在测试电流密度为1 A g-1时，经过循环500圈后，复合电极的比容量达到152 m Ah g-1。在倍率性能测试中，当电流密度达到3 A g-1时，复合电极的可逆比容量仍保持在172 m Ah g-1，以上性能均优于纯MnO2电极。电化学动力学测试结果表明：界面膜可以有效降低电极的界面转移阻抗和水合离子脱溶活化能，提升离子扩散速率，进而提升其界面反应动力学。理论模拟结果表明：界面膜可以有效提升电极的电子电导率，降低水合离子脱溶过程中的水分子配位数，加速离子的界面迁移行为。本文的仿生设计策略为未来高性能水系储能器件的开发开辟了新的研究思路。
论文信息Gou, Q., Luo, H., Zheng, Y., Zhang, Q., Li, C., Wang, J., Odunmbaku, O., Zheng, J., Xue, J., Sun, K., Li, M., Construction of Bio-inspired Film with Engineered Hydrophobicity to Boost Interfacial Reaction Kinetics of Aqueous Zinc–Ion Batteries. Small 2022, 2201732.
以上文章转载于微信公众号化学与材料科学，如有侵权，请及时联系我们修改或进行删除。
