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受磷脂雙分子層啟發(fā)構(gòu)建ZIBs兩性LB膜——制備高性能碘正極新思路

來源: 鹵素電池 瀏覽 421 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-24

上海交通大學(xué)賴飛立副教授&江南大學(xué)劉天西教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎的方法,利用油酸酰胺(oleyamine)的自發(fā)“油在水上擴(kuò)散”特性,快速制備ZIBs的正極。所制備的正極省去了傳統(tǒng)正極制備過程中的各種費(fèi)時(shí)步驟,如漿料制備、涂布和干燥,從而將正極的生產(chǎn)周期縮短至不到1 min。此外,該正極允許穩(wěn)定的連續(xù)碘吸附,因?yàn)橛退狨0分械陌坊梢耘c碘物種相互作用,抑制“穿梭效應(yīng)”,實(shí)現(xiàn)碘的電離,促進(jìn)碘在正極的氧化還原反應(yīng)。因此,采用LB膜的電池設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了出色的循環(huán)性能,在0.5 mA cm?1的電流密度下,經(jīng)過2000次循環(huán)后容量保持率為75.3%。這些發(fā)現(xiàn)證明了使用兩性分子快速構(gòu)建ZIBs正極的可行性。


其相關(guān)成果以題為“Langmuir-Blodgett Film Formed by Amphiphilic Molecules for Facile and Rapid Construction of Zinc-Iodine Cell”在國際知名期刊《Nano Letters》上發(fā)表。


【實(shí)驗(yàn)步驟】


OA/C薄膜的制備:將OA和Super P按照不同質(zhì)量比(60:1、40:1和20:1)放入密封玻璃瓶中,然后攪拌至均勻。隨后,將上述混合物滴加到20℃的去離子水表面,即可得到不同質(zhì)量比例的OA/C薄膜。


電化學(xué)測試:將制得的OA/C薄膜用碳紙(直徑為12 mm)從水面撈出,然后作為正極使用。每個(gè)碳紙上OA層的質(zhì)量負(fù)載為3.4-4.4 mg。Zn箔作為負(fù)極、玻璃纖維膜作為隔膜、1 M ZnSO4溶液(含有0.1 M KI)作為電解液在空氣氣氛下組裝CR2032型紐扣電池。同樣,使用Zn箔作為負(fù)極、碳紙作為正極、玻璃纖維膜作為隔膜、1 M ZnSO4溶液(含有0.1 M TEAI)作為電解液組裝TEAI基ZIBs電池。此外,電流單位為mA cm?2,可以根據(jù)1 mA cm?2對應(yīng)約7 C(使用含有0.1 M KI/TEAI的電解液時(shí))的關(guān)系轉(zhuǎn)換為C(1 C=211 mA g?1)。特別是,當(dāng)電解液含有0.1 M KI/TEAI時(shí),電極中的碘負(fù)載約為0.76 mg(60μL)。使用LAND-CT2001A恒流充放電測試儀對電池進(jìn)行恒流充放電特性測試(電壓范圍為0.6-1.6 V(vs.Zn2+/Zn))。根據(jù)電解液中碘的含量計(jì)算電池比容量。在CHI660E電化學(xué)站上進(jìn)行了循環(huán)伏安(CV)曲線測定。


軟包電池的制備:用Ti箔從水面撈出OA/C薄膜,作為正極。以鋅箔作為負(fù)極,濾紙作為隔膜,1 M ZnSO4溶液(含0.1 M KI,200μL)作為電解液。之后,將該電池(1 cm×7 cm)用兩片玻璃蓋住,并用透明真空袋封裝。

圖1.受磷脂雙分子層啟發(fā)的ZIBs兩性LB膜制備示意圖


圖1展示了制備LB膜的過程示意圖。具有親水“頭”和疏水“尾“的分子在水表面上平滑擴(kuò)散,形成Langmuir膜。這些分子中的一種是磷脂,可以自組裝成雙層結(jié)構(gòu)(稱為磷脂雙層),在細(xì)胞膜中起著關(guān)鍵作用。LB膜通過將Langmuir膜從空氣/水界面轉(zhuǎn)移到固體基底上得到。研究人員利用油胺(OA)在水表面上的自擴(kuò)散行為形成近似固體的Langmuir膜,以高效制備ZIBs正極。混合物滴入去離子水中后,在1 min內(nèi)迅速形成均勻的Langmuir膜,并使用碳紙收集形成的LB膜。


【結(jié)論】


綜上所述,研究人員成功地開發(fā)了一種新型的ZIBs正極,其基于OA/C在水面上的自發(fā)擴(kuò)散形成的兩性LB膜。這種方法大大簡化了正極的制備過程,制備時(shí)間不到1 min。重要的是,開發(fā)的正極由于以下幾個(gè)因素可以形成穩(wěn)定的可逆碘吸收層:1.OA中的-NH2基團(tuán)可以有效地吸附碘物種。2.OA的不溶性性質(zhì)可以防止吸附在OA層中的碘物種在水中溶解,避免碘物種的損失。3.[OA*I+]I3-產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物與OA層的準(zhǔn)固體性質(zhì)相結(jié)合,促進(jìn)了碘物種在正極內(nèi)的高流動性和均勻分布,從而實(shí)現(xiàn)快速的碘還原。因此,制備的ZIBs在2000次循環(huán)后表現(xiàn)出顯著的循環(huán)穩(wěn)定性,容量保持率為75.3%。這項(xiàng)工作為低成本、簡便地制備高性能碘正極開辟了一條新的途徑。