近日，深圳大学材料学院新能源材料与器件课题组杨金龙助理教授取得重要进展，在《Advanced Energy Materials》(影响因子：29.368，中科院大类一区)上发表题为“A Proton-Barrier Separator Induced via Hofmeister Effect for High-Performance Electrolytic MnO2–Zn Batteries”的研究论文。这项工作通过霍夫迈斯特效应制造了一种成本效益高的基于聚乙烯醇（PVA）的质子屏蔽隔膜（PBS）来防止析氢，从而稳定电解MnO2-Zn电池的新途径。同时，这也是一种通用方法，可用于设计其他稳定的水系金属离子电池。深圳大学材料学院杨金龙助理教授和中科大陈维教授为论文通讯作者，联合博士后袁园为论文第一作者，深圳大学为第一完成单位。
图1.(a-c)PZAS-PBS凝胶中氢键的理论计算, (d)阻碍质子传输原理图和(e-g)电解型MnO2-Zn电池性能。
在酸性电解MnO2-Zn电池中，金属Zn易与电解液中的质子反应生成氢气，使得电池电解液的酸性不断下降，导致与之配对的MnO2/Mn2+正极反应活性下降，最终电池性能下降。这是目前制约水系电解型Zn-MnO2电池实际应用的主要因素之一。团队通过强大的霍夫迈斯特效应成功开发了低于$1 m-2的超低成本的PBS，并为电解MnO2-Zn电池实现了优异的电化学性能。包括XRD、FT-IR和XPS在内的材料表征以及DFT计算结果表明，这种PBS促进Zn2+转移但阻碍H+转移的显着能力来源于浓SO42-的盐析过程，这使得H键网络无序、不连续，甚至形成孤立的亲水笼。在酸性MnO2-Zn电池中，它可以帮助实现91.2%的高能量保持率和200次循环的低过电位，远优于商业阴离子交换膜。如此卓越的性能可归因于这种PBS膜出色的离子电导率、稳定性和出色的阻碍H+转移的能力，这是商业阴离子交换膜难以实现的。同时，所构建的电池可以在20 C (66.6 mA cm-2)的高电流速率和6.67 mAh cm-2的高面积容量下良好运行，显着高于具有商业阴离子交换膜的电池。总体而言，这项工作揭示了霍夫迈斯特效应可以为隔膜带来的质子屏蔽和选定的金属离子传输的新功能，这将为开发稳定的电解MnO2-Zn电池和其他金属基能源开辟一个新领域存储设备。
该工作获得了中国自然科学基金面上项目（52172217）和广东省基础与应用基础研究基金项目（2021A1515010144）的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103705
