DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202522067
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41498741
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Wendan Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: البحوث حول تقنيات البطاريات المتقدمة
نظرة عامة
تركز البحث على تعزيز أداء وعمر بطاريات الزنك-يود المائية (ZIBs) من خلال معالجة التحديات المرتبطة بأنود الزنك، مثل نمو الدندريت والتآكل الناتج عن البوليوديد. يتم نسج غشاء نانوي من أسيتات السليلوز السلفوني (SCA)، الذي يتميز بخصائصه الزنكوفيلية-المائية، على أنود الزنك ليعمل كطبقة واقية. يقلل هذا الغشاء بشكل فعال من نشاط الماء، مما يمنع تفاعلات تطور الهيدروجين (HER) والمنتجات الثانوية المرتبطة بها. تعزز المجموعات السلفونية المشحونة سلبًا داخل الغشاء من التنافر الكهروستاتيكي مع أيونات البوليوديد، مما يوفر حماية إضافية للأنود.
تشير الحسابات النظرية ومحاكاة COMSOL إلى أن غشاء SCA يسهل ترسيب أيونات الزنك ($\text{Zn}^{2+}$) بشكل موحد من خلال الامتصاص القوي وبنية نانوية مسامية تعزز نقل الأيونات. تظهر بطاريات ZIB الناتجة مقاييس أداء مثيرة للإعجاب، حيث تحقق أكثر من 13,000 دورة مع احتفاظ بسعة 96.74% وكفاءة كولومبية متوسطة تبلغ 99.83% عند كثافة تيار تبلغ 4.2 A g$^{-1}$. لا يقدم هذا البحث فقط طريقة بسيطة لإنشاء طبقات واقية منخفضة التكلفة لأنود الزنك، بل يقدم أيضًا نهجًا واعدًا لتطوير بطاريات ZIB مائية طويلة الأمد وفعالة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية المتزايدة لبطاريات أيون الليثيوم (LIBs) في تخزين الطاقة، مع الإشارة أيضًا إلى قيودها، مثل التكاليف العالية وقابلية الاشتعال. استجابةً لذلك، ظهرت بطاريات الزنك المائية (ZIBs) كبديل أكثر أمانًا ووفرة من الموارد، مستفيدة من تفاعلات الأكسدة والاختزال لليود والزنك لتخزين الطاقة. على الرغم من إمكانياتها، تواجه ZIBs تحديات كبيرة، بما في ذلك الموصلية الكهربائية الضعيفة للكاتود اليودي، وتأثير نقل البوليوديد، وتفاعل تطور الهيدروجين (HER) في الإلكتروليت، مما يؤثر سلبًا على استقرار وأداء أنود الزنك.
لتخفيف هذه القضايا، تؤكد الورقة على أهمية تطوير طبقات واقية فعالة لأنود الزنك. تشمل الاستراتيجيات تصميم طبقات مائية لتقليل التفاعلات الجانبية واستخدام أغشية نانوية عضوية تعزز ترسيب الزنك بشكل موحد بينما تمنع تكوين الدندريت. تتضمن الحلول المقترحة استخدام أغشية نانوية من أسيتات السليلوز السلفوني (SCA)، التي لا تمنع فقط التفاعلات الجانبية من خلال تقليل نشاط الماء، بل تسهل أيضًا نقل الأيونات بسرعة وتوفر تنافرًا كهروستاتيكيًا ضد البوليوديدات. أظهرت تنفيذ هذه الأغشية تحسينات كبيرة في استقرار الدورة واحتفاظ السعة، حيث حققت أكثر من 13,000 دورة مع احتفاظ عالٍ بالسعة يبلغ 96.74% عند كثافة تيار تبلغ 4.2 A g⁻¹.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك أسيتات السليلوز (CA) بمحتوى أسيتيل يبلغ 39.8 wt. %، تم الحصول عليها من Meryer، بالإضافة إلى بيرسلفات البوتاسيوم، الأسيتون، الإيثانول، N,N-dimethylacetamide (DMAc)، هيدرات سلفونات البوتاسيوم، وكبريتات الزنك (ZnSO₄)، التي تم الحصول عليها من موردين كيميائيين موثوقين.
تم إجراء توصيف المواد باستخدام عدة تقنيات تحليلية. تم استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) لتقييم الهياكل الكيميائية، بينما تم استخدام حيود الأشعة السينية (XRD) لفحص الهياكل البلورية. بالإضافة إلى ذلك، قدمت مطيافية الإلكترون الضوئي للأشعة السينية (XPS) رؤى حول التركيب الكيميائي، بينما قدمت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) مع مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) تصويرًا تفصيليًا ورسم خرائط عنصرية للمواد. تم إجراء تحليلات جهد زتا لتقييم خصائص الشحنة السطحية، وتم إجراء قياسات زاوية الاتصال باستخدام محلل سطح بصري لتقييم قابلية بلل المواد.
نتائج
تستكشف الدراسة استخدام أغشية نانوية من أسيتات السليلوز السلفوني (SCA) كطبقات واقية لأنودات الزنك (Zn) في بطاريات الزنك-أيون (ZIBs) للتخفيف من القضايا مثل تكوين الدندريت، والتفاعلات الجانبية، وتآكل البوليوديد. تظهر أغشية SCA خصائص ملائمة، بما في ذلك بنية مسامية ثلاثية الأبعاد وزيادة في الخصائص المائية، مما يساهم في بيئة مستقرة لأنود الزنك. تؤكد تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) على نجاح تخليق وشكل موحد للألياف النانوية SCA. تظهر أنود SCA@Zn مقاومة تآكل متفوقة في إلكتروليتات ZnSO₄، دون أي علامات على التآكل بعد الغمر لفترة طويلة، على عكس Zn العاري، الذي يظهر تدهورًا كبيرًا.
تكشف الاختبارات الكهروكيميائية أن أنود SCA@Zn يتفوق بشكل كبير على Zn العاري من حيث استقرار الدورة، حيث يحقق أكثر من 1050 ساعة من التشغيل مقارنة بـ 150 ساعة فقط لـ Zn العاري. تعمل غشاء الألياف النانوية SCA على كبح نمو الدندريت وتعزيز الترسيب الموحد لأيونات Zn²⁺، كما يتضح من نتائج المجهر الضوئي في الموقع والكرونوأمبيرومترية. علاوة على ذلك، يمنع غشاء SCA نقل البوليوديد، وهو ما تم تأكيده من خلال التحليل اللوني والقياسات الكهروكيميائية. تشير اختبارات الخلايا الكاملة إلى أن أنود SCA@Zn يحافظ على احتفاظ عالٍ بالسعة يبلغ 96.74% بعد 13,000 دورة، مما يوضح إمكانيته للتطبيقات العملية في ZIBs. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على فعالية غشاء الألياف النانوية SCA في تحسين أداء وعمر أنودات الزنك في أنظمة تخزين الطاقة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تحضير وتوصيف أسيتات السليلوز السلفوني (SCA) وتطبيقه في بطاريات الزنك-أيون (ZIBs). تم تخليق SCA من خلال عملية ربط جذر حر تتضمن سلفونات البوتاسيوم، تليها عملية نسج كهربائي لإنشاء أقطاب SCA@Zn. تم تقييم الأداء الكهروكيميائي لهذه الأقطاب باستخدام تكوينات خلايا متنوعة، بما في ذلك خلايا متماثلة وغير متماثلة، مع اهتمام خاص بدور أغشية الألياف النانوية SCA في تعزيز الخصائص الكهروكيميائية.
تشير النتائج إلى أن أغشية الألياف النانوية SCA تظهر خصائص زنكوفيلية ومائية، مما يقلل بشكل كبير من نشاط جزيئات الماء ويمنع تفاعلات تطور الهيدروجين (HER). تعزز وجود مجموعات -SO₃⁻ على SCA من امتصاص أيونات Zn²⁺، مما يسهل تجفيفها ونقلها. توضح محاكيات COMSOL أيضًا أن البنية المسامية ثلاثية الأبعاد لغشاء SCA تعزز ترسيب الزنك بشكل موحد وتحد من نقل البوليوديد، مما يحمي أنود الزنك. نتيجة لذلك، تظهر ZIBs عمرًا استثنائيًا، حيث تحقق أكثر من 13,000 دورة مع احتفاظ بالسعة يبلغ 96.74% وكفاءة كولومبية متوسطة تبلغ 99.83% عند كثافة تيار عالية تبلغ 4.2 A g⁻¹. يقدم هذا البحث طريقة بسيطة لتطوير طبقات واقية متعددة الوظائف لأنودات الزنك، مما يساهم في تقدم بطاريات ZIB المائية عالية الأداء.
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202522067
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41498741
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Wendan Zhang et al.
Primary Topic: Advanced battery technologies research
Overview
The research focuses on enhancing the performance and longevity of aqueous zinc-iodine batteries (ZIBs) by addressing the challenges associated with zinc anodes, such as dendrite growth and polyiodide corrosion. A sulfonated cellulose acetate (SCA) nanofiber membrane, characterized by its zincophilic-hydrophobic properties, is electrospun onto the Zn anode to serve as a protective layer. This membrane effectively reduces water activity, thereby inhibiting hydrogen evolution reactions (HER) and associated byproducts. The negatively charged sulfonate groups within the membrane promote electrostatic repulsion with polyiodide ions, further protecting the anode.
Theoretical calculations and COMSOL simulations indicate that the SCA membrane facilitates uniform zinc ion ($\text{Zn}^{2+}$) deposition through strong adsorption and a nanoporous structure that enhances ion transport. The resulting ZIBs demonstrate impressive performance metrics, achieving over 13,000 cycles with a capacity retention of 96.74% and an average coulombic efficiency of 99.83% at a current density of 4.2 A g$^{-1}$. This study not only presents a straightforward method for creating low-cost protective layers for Zn anodes but also offers a promising approach to developing long-lasting and efficient aqueous ZIBs.
Introduction
The introduction highlights the growing prominence of lithium-ion batteries (LIBs) in energy storage, while also noting their limitations, such as high costs and flammability. In response, aqueous zinc-based batteries (ZIBs) have emerged as a safer and more resource-abundant alternative, leveraging the redox reactions of iodine and zinc for energy storage. Despite their potential, ZIBs face significant challenges, including poor electrical conductivity of the iodine cathode, the polyiodide shuttling effect, and the hydrogen evolution reaction (HER) in the electrolyte, which adversely affect the stability and performance of the zinc anode.
To mitigate these issues, the paper emphasizes the importance of developing effective protective layers for the zinc anode. Strategies include designing hydrophobic layers to reduce side reactions and employing organic nanofiber membranes that promote uniform zinc deposition while preventing dendrite formation. The proposed solution involves using sulfonated cellulose acetate (SCA) nanofiber membranes, which not only inhibit side reactions by reducing water activity but also facilitate rapid ion transport and provide electrostatic repulsion against polyiodides. The implementation of these membranes has demonstrated significant improvements in cycling stability and capacity retention, achieving over 13,000 cycles with a high capacity retention of 96.74% at a current density of 4.2 A g⁻¹.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized, including cellulose acetate (CA) with an acetyl content of 39.8 wt.%, sourced from Meryer, along with potassium persulphate, acetone, ethanol, N,N-dimethylacetamide (DMAc), sodium p-styrenesulfonate hydrate, and zinc sulfate (ZnSO₄), obtained from reputable chemical suppliers.
Characterization of the materials was conducted using several analytical techniques. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy was employed to assess the chemical structures, while X-ray diffraction (XRD) was utilized to examine the crystal structures. Additionally, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) provided insights into the chemical composition, and scanning electron microscopy (SEM) along with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) offered detailed imaging and elemental mapping of the materials. Zeta potential analyses were performed to evaluate the surface charge properties, and contact angle measurements were conducted using an optical surface analyzer to assess the wettability of the materials.
Results
The study investigates the use of sulfonated cellulose acetate (SCA) nanofiber membranes as protective layers for zinc (Zn) anodes in zinc-ion batteries (ZIBs) to mitigate issues such as dendrite formation, side reactions, and polyiodide corrosion. The SCA membranes exhibit favorable properties, including a 3D porous structure and enhanced hydrophobicity, which contribute to a stable Zn anode environment. Characterization techniques such as Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM) confirm the successful synthesis and uniform morphology of the SCA nanofibers. The SCA@Zn anode demonstrates superior corrosion resistance in ZnSO₄ electrolytes, with no signs of corrosion after prolonged immersion, unlike bare Zn, which shows significant degradation.
Electrochemical tests reveal that the SCA@Zn anode significantly outperforms bare Zn in terms of cycling stability, achieving over 1050 hours of operation compared to just 150 hours for bare Zn. The SCA nanofiber membrane effectively suppresses dendrite growth and enhances the uniform deposition of Zn²⁺ ions, as evidenced by in situ optical microscopy and chronoamperometry results. Furthermore, the SCA membrane inhibits polyiodide shuttling, which is confirmed through colorimetric analysis and electrochemical measurements. The full cell tests indicate that the SCA@Zn anode maintains a high capacity retention of 96.74% after 13,000 cycles, demonstrating its potential for practical applications in ZIBs. Overall, the findings highlight the SCA nanofiber membrane’s effectiveness in improving the performance and longevity of Zn anodes in energy storage systems.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of sulfonated cellulose acetate (SCA) and its application in zinc-ion batteries (ZIBs) are discussed. The SCA was synthesized through a free radical grafting process involving sodium p-styrenesulfonate, followed by electrospinning to create SCA@Zn electrodes. The electrochemical performance of these electrodes was evaluated using various cell configurations, including symmetric and asymmetric cells, with specific attention to the role of the SCA nanofiber membranes in enhancing the electrochemical properties.
The findings indicate that the SCA nanofiber membranes exhibit zincophilic and hydrophobic characteristics, which significantly reduce the activity of water molecules and inhibit hydrogen evolution reactions (HER). The presence of -SO₃⁻ groups on the SCA enhances the adsorption of Zn²⁺ ions, facilitating their desolvation and transfer. COMSOL simulations further illustrate that the 3D nanoporous structure of the SCA membrane promotes uniform Zn deposition and restricts polyiodide shuttling, thereby protecting the Zn anode. As a result, the ZIBs demonstrate exceptional longevity, achieving over 13,000 cycles with a capacity retention of 96.74% and an average coulombic efficiency of 99.83% at a high current density of 4.2 A g⁻¹. This research presents a straightforward method for developing multifunctional protective layers for Zn anodes, contributing to the advancement of high-performance aqueous ZIBs.