范红金/宋卫星AM: 15000次循环，无隔膜锌电池！

水系锌离子电池（AZIBs）由于具有低成本、不易燃的锌金属和水系电解液等优点，被认为是有前途的下一代储能装置。然而，锌金属负极稳定性差是实现其实际应用的主要瓶颈。

图1. ZSM-5分子筛作为固液混合电解质膜示意图

在此，新加坡南洋理工大学范红金教授、首都师范大学宋卫星副教授等人引入了一系列具有不同通道尺寸的分子筛并构建了一种固液混合电解质膜以调节锌负极表面Zn²⁺的离子环境，从而实现无隔膜锌离子电池。设计的合理性在于，分子筛不仅可起到有效的隔膜作用，还可调节溶剂结构和锌离子的传输。

具体而言，与传统的玻璃纤维隔膜相比，分子筛电解质膜能够实现更稳定和可逆的锌沉积。由于具有相交和3D通道系统，这些通道尺寸为0.3~2.5 nm的分子筛电解质膜能够使锌离子的通量和传输均匀化。同时，分子筛导致的游离水和溶剂化水活性降低可最大限度地减少锌负极的副反应并延长AZIB的循环寿命。因此，基于ZSM-5固液混合电解质膜的AZIBs表现出显著增强的性能。

图2. V₂O₅||ZSM-5||Zn全电池的电化学性能

结果显示，V₂O₅||ZSM-5||Zn全电池在1 A g^-1下具有高比容量（300 mAh g^-1），1000次循环后可保持98%的初始容量，3000次循环后容量保持率为83%。即使在5 A g^-1的高电流下，整个电池也可运行15000次循环且容量保持率为82%。对于不同通道尺寸的分子筛，需要考虑空间限制和通道壁吸附的耦合效应。

经测定，通道尺寸为5~7 Å 的分子筛（ZSM-5、H-β 和 Bate）具有最佳的去溶剂化能力和循环稳定性。虽然这项研究表明ZSM-5分子筛作为无隔膜水系电池的电解质主体具有广阔的应用前景，但可进一步研究以实现机械稳定性和电池能量密度之间的平衡。鉴于薄ZSM-5膜易碎，有必要设计和提高固液混合电解质膜的机械强度和鲁棒性。未来研究中一个可能的策略是开发对分子筛具有更好粘附力的粘结剂，同时卷对卷压制方法也将有助于大规模生产。

图3. 可用于AZIBs的不同通道尺寸的分子筛

Molecular sieve electrolyte membrane enables separator-free zinc batteries with ultralong cycle life, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202207209

范红金/宋卫星AM: 15000次循环，无隔膜锌电池！

相关推荐