吉大AFM：功能纤维素离子导体助力高性能全固态锌离子电池

可充电锌离子电池被认为是下一代储能系统的有希望的候选者，然而，锌枝晶的不可控生长和严重的析氢反应（HER）极大地阻碍了电池的实际应用。

在此，吉林大学徐吉静、季桂娟等人开发了一种基于纤维素的固态电解质新材料——羧基化纤维素纳米纤维（Zn-CCNF@XG）。该工作揭示了纳米化工程和官能团化策略对于提高锌离子电导率的作用原理及锌离子在Zn-CCNF@XG中的离子运输机制，并组装了高稳定性的固态锌离子电池。结果显示，较于传统的基于PEO、PVDF等聚合物的固态电解质材料，该工作所开发的纤维素基固态电解质具有高离子电导率、离子迁移数、和优异的锌离子沉积/剥离的稳定性及可逆性。此外，Zn-CCNF@XG的制备原材料来源广泛、制备成本低廉、可自然降解，可大规模制备。

图1. Zn-CCNF@XG的锌离子电导行为

总之，该工作采用纤维材料Zn-CCNF@XG制备的 SSE具有 1.17 × 10−4 S cm−1 的高离子电导率（室温下）、0.78 的高 Zn2+ 迁移数、0 至 2.88 V 的宽电化学稳定窗口以及 60 MPa 的优异机械耐受性。其中，-COOH的引入显着降低了锌离子与含氧官能团脱/配的解离能，并且-COOH和-OH共同形成了锌离子的快速传导通道。结果显示，Zn-CCNF@XG 在 Zn||Cu 非对称电池中循环 1000 次后表现出高库仑效率保持率 (99.51%)，而 Zn||Zn 对称电池在 1800 次循环（3600 小时）后过电势仅增加约 40 mV。

因此，Zn-CCNF@XG基SSZIB表现出优异的倍率性能和稳定的循环寿命，在1 A g−1的电流密度下3000次循环后容量保持率为83.46%。此外，基于Zn-CCNF@XG的软包电池静置24小时后容量保持率为96%，在电流密度为1 A g−1的条件下500次循环后容量保持率为52.7%。因此，该工作为开发具有高离子电导率、高离子迁移数和安全性的SSE提供了有效的指导。

图2. 电池性能

Nanoengineered Functional Cellulose Ionic Conductor Toward High-Performance All-Solid-State Zinc-Ion Battery, Advanced Functional Materials 2024