南洋理工范红金/吉大杜菲AM：高硫负载和单离子选择膜用于高能耐用的解耦水系电池

解耦电池设计有望突破传统水系电池的能量密度限制。然而，复杂的电池结构和低选择性隔膜限制了它们的能量输出和使用寿命。

在此，新加坡南洋理工大学范红金、吉林大学杜菲等人通过设计高质量负载的硫电极和单离子选择膜，实现了锌硫解耦的水系电池。在磁场的帮助下构建的垂直组装的纳米片网络使得高负载硫电极中的电子和离子易于传导，有利于提高能量输出。

对于定制的离子选择性膜，锚定在其骨架上的钠离子有效地阻止OH⁻或Cu²⁺的交叉，促进钠离子的传输并确保结构和机械稳定性。因此，Zn-S水性电池实现了3988 Wh kgs⁻¹（按硫质量计）的可逆能量密度，在300次循环中稳定运行，能量密度为53.2 mWh cm⁻²。

图1. 高能解耦锌硫水系电池的设计

总之，该工作通过重新设计电池的两个重要部件，即硫正极和隔膜，实现了优异的长循环性能。高硫含量正极的磁场感应垂直排列，为厚电极（高达740 um）中的离子传输提供通道；此外，Na⁺配位聚合物膜通过抑制膜膨胀和路易斯酸碱相互作用而表现出高离子选择性。

因此，Zn-S 解耦电池的面能量密度为 53.2 mWh cm^-2，与使用普通隔膜的数十个循环相比，其寿命延长至 300 个循环。因此，该项工作中展示的组合电极和膜工程策略为高能量和耐用性解耦电池铺平了道路。

图2. 电池性能

High-Sulfur Loading and Single Ion-Selective Membranes for High-Energy and Durable Decoupled Aqueous Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202307298

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