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水系鋅離子電池（ZIBs）是電網(wǎng)規(guī)模可再生能源存儲(chǔ)最有前景的電池化學(xué)之一。然而，它們的應(yīng)用受到了一些問(wèn)題的限制，如鋅枝晶的形成和在過(guò)量自由水分子和離子存在下可能發(fā)生的不良副反應(yīng)。

圖1. 纖維素-CMC電解質(zhì)的作用示意

馬里蘭大學(xué)胡良兵等展示了一種納米纖維素-羧甲基纖維素（CMC）電解質(zhì)，它具有高離子傳導(dǎo)性/機(jī)械強(qiáng)度和低自由水含量的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高倍率和長(zhǎng)循環(huán)壽命的水系ZIBs。在這種方法中，CMC聚合物鏈分布在相對(duì)成脊?fàn)畹睦w維素網(wǎng)絡(luò)中，形成一種致密的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，同時(shí)也作為電池的隔膜發(fā)揮作用。

CMC是一種廉價(jià)的、可在市場(chǎng)上買到的纖維素衍生物，與單獨(dú)的纖維素相比，它具有許多羧基，與水分子形成更強(qiáng)的結(jié)合作用，這有助于在膜中使用時(shí)限制自由水含量。增加的結(jié)合水含量有助于促進(jìn)鋅離子的傳導(dǎo)性，同時(shí)防止多余的自由水分子參與寄生的副反應(yīng)。

圖2. 纖維素-5wt.%CMC膜減少Zn的枝晶生長(zhǎng)

此外，簡(jiǎn)單的NaOH處理將纖維素-CMC電解質(zhì)的抗拉強(qiáng)度提高到>70MPa。因此，纖維素-CMC電解質(zhì)顯示出高達(dá)26 mS cm^-1的鋅離子傳導(dǎo)率，并且在高達(dá)80 mA cm^-2的超高電流密度下，鋅負(fù)極以平行片狀物的形式穩(wěn)定地沉積/剝離。

另外，由自由水分子引起的副反應(yīng)，如析氫和Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O鈍化層的形成，也大大減少。最后，作者展示了基于這種纖維素-CMC電解質(zhì)的Zn||MnO₂全電池，其在8C下顯示出超過(guò)500次的優(yōu)良循環(huán)性。

此外，該電解質(zhì)只需要簡(jiǎn)易的加工，并且由固有的可生物降解材料組成，沒(méi)有任何來(lái)自化石燃料的合成添加劑，這表明它有可能成為下一代儲(chǔ)能應(yīng)用的低成本、可持續(xù)和高性能電解質(zhì)。

圖3. 全電池性能

Nanocellulose-Carboxymethylcellulose Electrolyte for Stable, High-Rate Zinc-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202302098

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