A nanocellulose-mediated, multiscale ion-sieving separator with selective Zn2+ channels for durable aqueous zinc-based batteries

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作者
Ying Zhang,Zi Zeng,Shanchen Yang,Yaxin Zhang,Yue Ma,Zhaohui Wang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:57: 557-567 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.03.001
摘要

A heterostructure engineered, multiscale ion-sieving separator with desired macro‑meso-molecular pores that can render selective Zn2+ permeability and homogeneous Zn2+ distribution at the separator-electrode interface is designed to achieve durable aqueous Zn-ion batteries. The proposed separator is fabricated by stacking an intermediate nanocellulose layer and a poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) upper layer on a glass fiber substrate, wherein the nanocellulose layer contains uniform mesopores favoring a homogeneous Zn2+ flux and endowing the attainment of a PEDOT:PSS layer. While the PEDOT:PSS layer features intrinsic ionic/electronic conductivity and rich sulfonate groups enabling uniform electrical field distribution and inhibiting anions migration. The combination of mesoporous nanocellulose and cation-permeable PEDOT:PSS used in the heterostructure separator yields a high ionic transference number and fast Zn2+ desolvation kinetics. This unique separator enables highly compact and dendrite-free Zn deposition at 4 mA cm−2/8 mAh cm−2, and sustains the symmetric Zn||Zn cell over 400 h at 10 mA cm−2/4 mAh cm−2. Such advantages bring remarkable reversibility to full AZBs with high I2 mass loading cathodes of 13.0 mg cm−2, delivering a discharge capacity of 172.1 mAh g−1 after 1000 cycles. This multiscale ion-sieving design principle provides new insight into separator engineering for ultra-stable Zn metal batteries.
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