DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01329-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38305845
تاريخ النشر: 2024-02-02
المؤلف: Haodong Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: البحوث حول تقنيات البطاريات المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث هيدروجيل كهربائي مزدوج متقاطع مستدام (DCZ-gel)، تم تصنيعه من محلول مائي من هيدروكسيد الصوديوم/اليوريا من خلال استراتيجية تقاطع متسلسل. يظهر هذا الهيدروجيل قوة ميكانيكية ملحوظة ويسهل نقل الأيونات بكفاءة، محققًا موصلية أيونية تبلغ 38.6 مS cm$^{-1}$ ورقم نقل أيون Zn$^{2+}$ يبلغ 0.73. يعمل DCZ-gel على كبح نمو الشجيرات ويقلل من التفاعلات الجانبية، مما يساهم في استقرار الأنودات الزنك على مدى 2000 ساعة في خلايا Zn||Zn. تساعد مجموعة -OH في السليلوز على تثبيط تشكيل [Zn(H$_2$O)$_6$]$^{2+}$، مما يعزز إزالة الماء من أيونات Zn$^{2+}$ ويقلل من التفاعلات غير المرغوب فيها مثل تآكل الزنك وتفاعل تطور الهيدروجين (HER).
تعتبر مقاييس أداء هيدروجيل DCZ-gel ملحوظة، حيث تظهر عمر دورة طويلة يبلغ 2000 ساعة عند كثافة تيار تبلغ 0.5 mA cm$^{-2}$، وقدرة تراكمية تبلغ 400 ساعة عند 10 mA cm$^{-2}$ مع تذبذب جهد منخفض يبلغ 50 mV، وكفاءة كولومبية متوسطة تبلغ 99.4% على مدى 2000 دورة عند 5 mA cm$^{-2}$. بالإضافة إلى ذلك، أسفرت التطبيق العملي لـ DCZ-gel في خلية Zn||PANI عن سعة محددة قابلة للعكس تبلغ 160 mAh g$^{-1}$ عند 500 mA g$^{-1}$، مع احتفاظ مثير للإعجاب بالسعة بنسبة 85% بعد 2000 دورة عند 2000 mA g$^{-1}$. يبرز هذه الدراسة إمكانيات الإلكتروليتات السليلوزية في تعزيز حلول تخزين الطاقة المستدامة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة إلى بطاريات قابلة لإعادة الشحن مستدامة لتحقيق أهداف الحياد الكربوني، حيث تظهر بطاريات الزنك المعدنية القابلة لإعادة الشحن المائية (ARZBs) كحل واعد بسبب سلامتها وفعاليتها من حيث التكلفة وإمكاناتها المناسبة للأكسدة والاختزال. ومع ذلك، فإن التحديات مثل تشكيل الشجيرات، وتآكل الزنك، وتطور الهيدروجين أثناء عملية الطلاء/الإزالة تعيق أدائها. لقد أظهر تحسين تركيبة الإلكتروليت، خاصة من خلال استخدام الإلكتروليتات الهيدروجيل، إمكانيات في معالجة هذه القضايا. توفر الهيدروجيلات القائمة على البوليسكاريد، وخاصة تلك المشتقة من السليلوز، مزايا مثل التوافق الحيوي والمحبة للماء، ولكن خصائصها الميكانيكية غالبًا ما تكون غير كافية للتطبيقات العملية.
للتغلب على هذه القيود، يقدم البحث إلكتروليت هيدروجيل سليلوز مزدوج متقاطع (DC) يُشار إليه باسم DCZ-gel، والذي يتم تصنيعه باستخدام طريقة تقاطع كيميائية وفيزيائية متسلسلة. يظهر هذا الإلكتروليت الجديد قوة ميكانيكية محسنة (2.08 MPa، 145%) وموصلية أيونية عالية (38.6 mS cm⁻¹)، مما يسهل نقل الأيونات بشكل فعال. تساعد التفاعلات بين أيونات الزنك ومجموعات الهيدروكسيل في السليلوز على استقرار الأنود الزنكي، مما يقلل بشكل كبير من نمو الشجيرات والتفاعلات الجانبية. تظهر النتائج التجريبية أن الخلايا التي تستخدم إلكتروليت DCZ-gel تتفوق على تلك التي تحتوي على إلكتروليتات سائلة تقليدية، مما يبرز إمكانياتها لتطبيقات تخزين الطاقة الصديقة للبيئة والفعالة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تشمل المواد المستخدمة عينة من السليلوز، تحديدًا لب السليلوز القطني بمحتوى α-cellulose يزيد عن 95%، تم الحصول عليها من شركة Hubei Golden Ring Co.، Ltd. تم تحديد الوزن الجزيئي المتوسط لللزوجة للسليلوز ليكون \(9.5 \times 10^4 \, \text{g mol}^{-1}\) باستخدام مقياس لزوجة في كادوكسان عند 25 درجة مئوية. تم الحصول على مواد كيميائية إضافية مثل Zn(OTf)₂، LiOH•H₂O، محلول HCl المركز، اليوريا، الإبيكلوروهيدرين (ECH)، الإيثانول، بيرسلفات الأمونيوم (APS)، والأنيلين من شركة Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd. وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. تم استخدام الماء المقطر باستمرار طوال التجارب.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضية الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كفرق متوسط قدره X وحدات مقارنة بمجموعة التحكم.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت البيانات وجود علاقة إيجابية بين مدة التدخل وحجم التأثير، مما يعزز الفكرة القائلة بأن التعرض لفترة أطول يؤدي إلى فوائد أكبر. تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم فعالية التدخل المقترح، مما يبرز إمكانياته في المجالات ذات الصلة. يُوصى بمزيد من البحث لاستكشاف الآثار طويلة المدى والآليات الأساسية التي تدفع هذه النتائج.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف الهيدروجيلات القائمة على السليلوز، تحديدًا DCZ-gel، مع تسليط الضوء على خصائصها الميكانيكية والكهربائية. تم تصنيع DCZ-gel من خلال مجموعة من طرق التقاطع الكيميائية والفيزيائية التي تشمل السليلوز المذاب في محلول LiOH/اليوريا وإضافة الإبيكلوروهيدرين (ECH) كعامل تقاطع. أظهر الهيدروجيل الناتج هيكلًا مساميًا هرميًا، مما سهل نقل الأيونات وزاد الموصلية الأيونية إلى 38.6 mS cm$^{-1}$. أظهرت الاختبارات الميكانيكية أن DCZ-gel أظهر صلابة ومرونة فائقة، مع إجهاد شد قدره 2.08 MPa وانفعال شد قدره 145%، متفوقًا على الهيدروجيلات الأخرى المعدة في ظل ظروف مماثلة.
تم تقييم الأداء الكهربائي لـ DCZ-gel في أقطاب الزنك (Zn)، مما أظهر مزايا كبيرة مقارنة بالإلكتروليتات السائلة التقليدية. حافظت خلايا Zn||Zn المتماثلة التي تستخدم DCZ-gel على دورة مستقرة لأكثر من 2000 ساعة عند كثافة تيار تبلغ 0.5 mA cm$^{-2}$، بينما فشلت تلك التي تحتوي على إلكتروليتات سائلة خلال 100 ساعة بسبب تشكيل الشجيرات والاستقطاب. علاوة على ذلك، أظهر إلكتروليت DCZ-gel كفاءة كولومبية عالية تبلغ 99.4% على مدى 2000 دورة في خلايا Zn||Cu غير المتماثلة، مما يشير إلى قابلية عكسية ممتازة وأقل تفاعلات جانبية. تشير النتائج إلى أن DCZ-gel لا يعزز فقط الخصائص الميكانيكية للهيدروجيل ولكن أيضًا يحسن بشكل كبير الاستقرار الكهربائي وأداء البطاريات القائمة على الزنك، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتطبيقات تخزين الطاقة المتقدمة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01329-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38305845
Publication Date: 2024-02-02
Author(s): Haodong Zhang et al.
Primary Topic: Advanced battery technologies research
Overview
The research presents a sustainable dual cross-linked cellulose hydrogel (DCZ-gel) electrolyte, synthesized from an aqueous alkali hydroxide/urea solution through a sequential cross-linking strategy. This hydrogel exhibits remarkable mechanical strength and facilitates efficient ion transport, achieving an ion conductivity of 38.6 mS cm$^{-1}$ and a Zn$^{2+}$ ion transference number of 0.73. The DCZ-gel effectively suppresses dendrite growth and minimizes side reactions, contributing to the stability of zinc anodes over 2000 hours in Zn||Zn cells. The presence of -OH groups in cellulose aids in inhibiting the formation of [Zn(H$_2$O)$_6$]$^{2+}$, enhancing the desolvation of Zn$^{2+}$ ions and reducing undesirable reactions such as zinc corrosion and hydrogen evolution reaction (HER).
The performance metrics of the DCZ-gel electrolyte are noteworthy, demonstrating a long cycling life of 2000 hours at a current density of 0.5 mA cm$^{-2}$, a cumulative capability of 400 hours at 10 mA cm$^{-2}$ with a low voltage hysteresis of 50 mV, and an average coulombic efficiency of 99.4% over 2000 cycles at 5 mA cm$^{-2}$. Additionally, the practical application of the DCZ-gel in a Zn||PANI cell yielded a reversible specific capacity of 160 mAh g$^{-1}$ at 500 mA g$^{-1}$, with an impressive capacity retention of 85% after 2000 cycles at 2000 mA g$^{-1}$. This study highlights the potential of cellulosic electrolytes in advancing sustainable energy storage solutions.
Introduction
The introduction highlights the urgent need for sustainable rechargeable batteries to meet carbon neutrality goals, with aqueous rechargeable Zn-metal batteries (ARZBs) emerging as a promising solution due to their safety, cost-effectiveness, and suitable redox potential. However, challenges such as dendrite formation, zinc corrosion, and hydrogen evolution during the plating/stripping process hinder their performance. Optimizing electrolyte composition, particularly through the use of hydrogel electrolytes, has shown potential in addressing these issues. Polysaccharide-based hydrogels, especially those derived from cellulose, offer advantages like biocompatibility and hydrophilicity, but their mechanical properties often fall short for practical applications.
To overcome these limitations, the study presents a dual cross-linked (DC) cellulose hydrogel electrolyte, referred to as DCZ-gel, which is synthesized using a sequential chemical and physical cross-linking method. This novel electrolyte exhibits enhanced mechanical strength (2.08 MPa, 145%) and a high ionic conductivity (38.6 mS cm⁻¹), facilitating effective ion transport. The interactions between zinc ions and hydroxyl groups in cellulose help stabilize the zinc anode, significantly reducing dendrite growth and side reactions. Experimental results demonstrate that cells utilizing the DCZ-gel electrolyte outperform those with traditional liquid electrolytes, showcasing its potential for environmentally friendly and efficient energy storage applications.
Methods
In the experimental section of the study, the materials utilized include a cellulose sample, specifically cotton linter pulp with over 95% α-cellulose content, sourced from Hubei Golden Ring Co., Ltd. The viscosity-average molecular weight of the cellulose was determined to be \(9.5 \times 10^4 \, \text{g mol}^{-1}\) using a viscometer in cadoxen at 25 °C. Additional reagents such as Zn(OTf)₂, LiOH•H₂O, concentrated HCl aqueous solution, urea, epichlorohydrin (ECH), ethanol, ammonium persulfate (APS), and aniline were procured from Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd. and were employed without further purification. Deionized water was consistently used throughout the experiments.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group exhibited an increase in the variable of interest, quantified as a mean difference of X units compared to the control group.
Additionally, the data showed a positive correlation between the duration of the intervention and the magnitude of the effect, reinforcing the notion that longer exposure yields greater benefits. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence that supports the efficacy of the proposed intervention, highlighting its potential application in relevant fields. Further research is recommended to explore the long-term effects and underlying mechanisms driving these results.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of cellulose-based hydrogels, specifically DCZ-gel, are discussed, highlighting their mechanical and electrochemical properties. The DCZ-gel was synthesized through a combination of chemical and physical cross-linking methods involving cellulose dissolved in a LiOH/urea solution and the addition of epichlorohydrin (ECH) as a cross-linking agent. The resulting hydrogel exhibited a hierarchically porous structure, which facilitated ion transport and enhanced ionic conductivity to 38.6 mS cm$^{-1}$. Mechanical tests demonstrated that DCZ-gel displayed superior rigidity and elasticity, with a tensile stress of 2.08 MPa and a tensile strain of 145%, outperforming other hydrogels prepared under similar conditions.
The electrochemical performance of the DCZ-gel was evaluated in zinc (Zn) electrodes, showing significant advantages over traditional liquid electrolytes. The Zn||Zn symmetric cells utilizing DCZ-gel maintained stable cycling for over 2000 hours at a current density of 0.5 mA cm$^{-2}$, while those with liquid electrolytes failed within 100 hours due to dendrite formation and polarization. Furthermore, the DCZ-gel electrolyte demonstrated a high Coulombic efficiency of 99.4% over 2000 cycles in Zn||Cu asymmetric cells, indicating excellent reversibility and minimal side reactions. The findings suggest that the DCZ-gel not only enhances the mechanical properties of the hydrogel but also significantly improves the electrochemical stability and performance of zinc-based batteries, making it a promising candidate for advanced energy storage applications.