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受磷脂双分子层启发构建ZIBs两性LB膜——制备高性能碘正极新思路
来源: 卤素电池 浏览 581 次 发布时间:2024-07-24
上海交通大学赖飞立副教授&江南大学刘天西教授团队提出了一种新颖的方法,利用油酸酰胺(oleyamine)的自发“油在水上扩散”特性,快速制备ZIBs的正极。所制备的正极省去了传统正极制备过程中的各种费时步骤,如浆料制备、涂布和干燥,从而将正极的生产周期缩短至不到1 min。此外,该正极允许稳定的连续碘吸附,因为油酸酰胺中的胺基可以与碘物种相互作用,抑制“穿梭效应”,实现碘的电离,促进碘在正极的氧化还原反应。因此,采用LB膜的电池设计实现了出色的循环性能,在0.5 mA cm−1的电流密度下,经过2000次循环后容量保持率为75.3%。这些发现证明了使用两性分子快速构建ZIBs正极的可行性。
其相关成果以题为“Langmuir-Blodgett Film Formed by Amphiphilic Molecules for Facile and Rapid Construction of Zinc-Iodine Cell”在国际知名期刊《Nano Letters》上发表。
【实验步骤】
OA/C薄膜的制备:将OA和Super P按照不同质量比(60:1、40:1和20:1)放入密封玻璃瓶中,然后搅拌至均匀。随后,将上述混合物滴加到20℃的去离子水表面,即可得到不同质量比例的OA/C薄膜。
电化学测试:将制得的OA/C薄膜用碳纸(直径为12 mm)从水面捞出,然后作为正极使用。每个碳纸上OA层的质量负载为3.4-4.4 mg。Zn箔作为负极、玻璃纤维膜作为隔膜、1 M ZnSO4溶液(含有0.1 M KI)作为电解液在空气气氛下组装CR2032型纽扣电池。同样,使用Zn箔作为负极、碳纸作为正极、玻璃纤维膜作为隔膜、1 M ZnSO4溶液(含有0.1 M TEAI)作为电解液组装TEAI基ZIBs电池。此外,电流单位为mA cm−2,可以根据1 mA cm−2对应约7 C(使用含有0.1 M KI/TEAI的电解液时)的关系转换为C(1 C=211 mA g−1)。特别是,当电解液含有0.1 M KI/TEAI时,电极中的碘负载约为0.76 mg(60μL)。使用LAND-CT2001A恒流充放电测试仪对电池进行恒流充放电特性测试(电压范围为0.6-1.6 V(vs.Zn2+/Zn))。根据电解液中碘的含量计算电池比容量。在CHI660E电化学站上进行了循环伏安(CV)曲线测定。
软包电池的制备:用Ti箔从水面捞出OA/C薄膜,作为正极。以锌箔作为负极,滤纸作为隔膜,1 M ZnSO4溶液(含0.1 M KI,200μL)作为电解液。之后,将该电池(1 cm×7 cm)用两片玻璃盖住,并用透明真空袋封装。
图1.受磷脂双分子层启发的ZIBs两性LB膜制备示意图
图1展示了制备LB膜的过程示意图。具有亲水“头”和疏水“尾“的分子在水表面上平滑扩散,形成Langmuir膜。这些分子中的一种是磷脂,可以自组装成双层结构(称为磷脂双层),在细胞膜中起着关键作用。LB膜通过将Langmuir膜从空气/水界面转移到固体基底上得到。研究人员利用油胺(OA)在水表面上的自扩散行为形成近似固体的Langmuir膜,以高效制备ZIBs正极。混合物滴入去离子水中后,在1 min内迅速形成均匀的Langmuir膜,并使用碳纸收集形成的LB膜。
【结论】
综上所述,研究人员成功地开发了一种新型的ZIBs正极,其基于OA/C在水面上的自发扩散形成的两性LB膜。这种方法大大简化了正极的制备过程,制备时间不到1 min。重要的是,开发的正极由于以下几个因素可以形成稳定的可逆碘吸收层:1.OA中的-NH2基团可以有效地吸附碘物种。2.OA的不溶性性质可以防止吸附在OA层中的碘物种在水中溶解,避免碘物种的损失。3.[OA*I+]I3-产生的电荷转移复合物与OA层的准固体性质相结合,促进了碘物种在正极内的高流动性和均匀分布,从而实现快速的碘还原。因此,制备的ZIBs在2000次循环后表现出显著的循环稳定性,容量保持率为75.3%。这项工作为低成本、简便地制备高性能碘正极开辟了一条新的途径。