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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 1008 次 發(fā)布時間: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時步驟，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，因為油酸酰胺中的胺基可以與碘物種相互作用，抑制“穿梭效應(yīng)”，實現(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)計實現(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。
【實驗步驟】
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）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，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，制備時間不到1 min。重要的是，開發(fā)的正極由于以下幾個因素可以形成穩(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。