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研究进展

研究进展

赵勇课题组在Nano letters报道离子选择性膜制备及其在锂硫电池中应用的新进展

来源: 河南大学纳米科学与材料工程学院    日期:2024-03-01   浏览次数:

近期,beat365赵勇课题组在离子选择性膜的制备及其在锂硫电池中的应用取得新进展,相关成果以“Uniform Nanoscale Ion-Selective Membrane Prepared by Precision Control of Solution Spreading and Evaporation”为题,以全文形式在国际学术期刊《纳米快报》(Nano letters)上发表。

论文链接: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04847

图1. 传统a)手术刀法和b)旋涂法制备聚合物膜的过程;c)新型毛细管阵列技术制备薄且均匀聚合物膜的过程。

离子选择性膜在众多能源转换器件中具有重要作用,例如燃料电池的质子交换膜、液流电池防穿梭效应隔膜等。如何实现离子选择性膜的高通量离子传输是实现上述器件高能量效率和高库仑效率的关键。目前,离子选择性膜主要通过喷涂法、滴涂法、刮涂法、旋涂法等方法制备(图1a)。然而,这些技术难以精准控制聚合物溶液均匀铺展和液膜中溶剂挥发,这导致了聚合物膜厚(微米尺度)且不均匀,限制了其选择性和通量,成为离子选择性膜应用的瓶颈。

针对上述问题,我们开发了新型毛细管阵列技术,实现了微升级Nafion聚合物溶液在基底上的精准转移,进而形成微米厚度的均匀溶液膜。在此基础上,进一步通过控制液膜的厚度、聚合物浓度、溶剂挥发温度,抑制了液膜马兰戈尼流和毛细管流,从而实现了纳米级厚度Nafion均匀膜的制备。上述纳米级Nafion膜展现了出色的锂离子传输速率(4.9*10-4 S cm-1)和锂离子选择性。以其组装的锂硫电池在硫载量为12 mg cm-2时可稳定循环150圈,平均库伦效率高达99%,是常规多孔隔膜组装锂硫电池循环寿命的5倍。通过毛细管整列技术实现聚合物溶液在基底上的可控铺展,以及液膜中溶剂的可控挥发,为发展薄且均匀的聚合物薄膜制备技术提供了理论基础;纳米级Nafion膜的成功制备也为提升燃料电池、液流电池、锂硫电池的能量效率和循环寿命提供了技术方案。

河南大学beat365博士研究生卞腾飞为论文第一作者,赵勇教授为论文通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委、河南省科技厅、河南省教育厅和河南大学的大力支持。


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