天津科技大学轻工科学与工程学院在仿生电池保护膜领域取得重要进展

近日，我校轻工科学与工程学院程博闻教授团队及合作者受生物离子泵跨膜主动运输离子机制的启发，设计了一种具有“离子泵”效应的电池保护膜，实现深度放电下稳定循环。相关研究成果以“Engineering ion-pumping solid electrolyte interphase for ultra-stable aqueous zinc-ion batteries under deep discharge conditions”为题，发表在能源环境领域国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》。我校轻工科学与工程学院青年教师杨磊鑫为该论文第一作者，杨磊鑫副教授、新加坡国立大学唐雷博士、加拿大滑铁卢大学于爱萍院士和我校程博闻教授为共同通讯作者，天津科技大学为第一作者和通讯作者单位。

水系锌离子电池（AZIBs）作为一种有前途的电网级储能解决方案而受到关注，但其广泛应用受到与金属负极可逆性和稳定性相关的关键挑战的阻碍。尤其是在高放电深度（DOD）条件下，耐受腐蚀反应、锌离子均匀沉积以及高效离子传输的完美结合仍然极具挑战，极易导致库仑效率低和循环寿命差等问题。受生物离子泵（ATPase蛋白）跨膜主动运输离子机制的启发，研究团队设计了一种由生物基聚醚酰胺嵌段共聚物和氧化石墨烯组成的复合人工保护膜，旨在构建一个具有“离子泵”效应的界面层。

图1. 离子泵作用机制示意图及与文献性能比较

该研究所获得的P-G“离子泵”层，利用聚合物（C="O," C-O-C）的官能团和GO的电负性，P-G SEI层作为高效的Zn2+离子泵，像“离子泵”一样主动捕获并引导Zn2+，调节Zn2+配位结构，形成快速、均一的离子传输通道，实现了0.77的显著Zn2+迁移数和快速的离子传输动力学，从而均匀化电场和离子流，获得高度稳定和可逆的锌负极。最终，P-G@Zn实现了创纪录的电化学性能，对称电池在1 mA·cm-2下实现了6500小时的超稳定循环，并在54.7% DOD下创造了超过5000小时稳定循环。此外，P-G@Zn||I2软包电池表现出卓越的性能，在N/P比为2的条件下，400次循环后仍保持82.8%的容量。该工作不仅提供了一种人工SEI的设计思路，对于仿生离子泵人工SEI层的研究思路可用于优化锌负极并推进下一代储能技术。

图2.锌电极的电化学稳定性和可逆性

图3. Zn||V2O5和Zn||I2全电池的电化学行为

近年来，在我校“先锋计划”的牵引下，轻工科学与工程学院实施师资队伍建设“五个一”工程，支持青年教师开展前沿科研工作，助力青年教师成长，已有多位青年教师作为第一作者在研究领域内的权威期刊发表研究成果。未来，学院将持续优化支持机制，为青年教师提供更广阔的发展空间，推动更多原创性、突破性成果的产出，为我校建设高水平研究型大学贡献力量。

文献链接：

https://doi.org/10.1039/D5EE01408E

编辑：田珺  张晓飞