【研究背景】

水系鋅離子電池因其環(huán)境友好、工作安全以及容量較高等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)用規(guī)模化儲(chǔ)能器件方面具有巨大的應(yīng)用前景。但是，水系鋅離子電池目前仍然存在著一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這其中，作為電池負(fù)極的鋅金屬在工作中面臨著鋅枝晶的不可控生長(zhǎng)以及析氫腐蝕的副反應(yīng)等相關(guān)問(wèn)題，這嚴(yán)重制約了水系鋅離子電池的實(shí)際應(yīng)用。如何對(duì)鋅金屬進(jìn)行合理高效的表面修飾以獲得可逆穩(wěn)定的負(fù)極，成為了目前研究人員探索和攻堅(jiān)的重點(diǎn)。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，南洋理工顏清宇、中科大朱紀(jì)欣、中南大學(xué)劉洪濤等團(tuán)隊(duì)利用定向冷凍干燥與溫和熱還原的方法，在鋅金屬表面原位修飾親鋅微米刷，以改善鋅金屬負(fù)極的穩(wěn)定性。通過(guò)親鋅微米刷的誘導(dǎo)作用以及去溶劑化作用，鋅離子能快速高效地在負(fù)極表面進(jìn)行可逆沉積，避免了鋅枝晶的大量生長(zhǎng)、抑制了副反應(yīng)的發(fā)生。該研究工作以“Intrinsic Interfacial Dynamic Engineering of Zincophilic Microbrushes via Regulating Zn Deposition for Highly Reversible Aqueous Zinc Ion Battery”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Materials上。中南大學(xué)黃鐵騎博士為本文第一作者。

【核心內(nèi)容】

鋅金屬負(fù)極普遍存在兩個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題：其一，同鋰一樣，鋅離子的電沉積會(huì)因?yàn)椴痪鶆蚨鴮?dǎo)致鋅枝晶不可控的生長(zhǎng)，影響電池安全性；其二，在水系環(huán)境下，由于電極電勢(shì)的關(guān)系，鋅金屬通常會(huì)發(fā)生析氫腐蝕等副反應(yīng)，不僅造成庫(kù)倫效率低，還會(huì)影響電池整體穩(wěn)定性。對(duì)于鋅金屬負(fù)極的改性，目前的研究主要集中于對(duì)金屬表面進(jìn)行相關(guān)的修飾以改變表面化學(xué)成分或者結(jié)構(gòu)狀態(tài)，然而較少有文獻(xiàn)對(duì)二者進(jìn)行整合和規(guī)劃。基于此，該工作從化學(xué)組成和微納結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)合考慮，設(shè)計(jì)了一種具有合適含氧官能團(tuán)含量的、一定取向結(jié)構(gòu)的石墨烯基微米刷，從而實(shí)現(xiàn)了鋅離子的精確誘導(dǎo)沉積以及析氫反應(yīng)的有效削弱。作者通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)的合理性與可靠性，利用詳實(shí)的原位/非原位表征證明了負(fù)載親鋅微米刷的鋅負(fù)極相較于其他對(duì)比材料的優(yōu)越性。這項(xiàng)工作為水系鋅離子電池負(fù)極的實(shí)用設(shè)計(jì)提供了可以借鑒的思路。

圖1. 接枝親鋅微米刷的鋅負(fù)極結(jié)構(gòu)及相關(guān)表征。

圖2. 親鋅微米刷的接觸角測(cè)試及相關(guān)理論計(jì)算。

圖3. 接枝親鋅微米刷的鋅負(fù)極的電化學(xué)行為。

圖4. 親鋅微米刷誘導(dǎo)沉積的原位/非原位表征及相關(guān)機(jī)理示意圖。

圖5. 以接枝親鋅微米刷的鋅金屬為負(fù)極的全電池的電化學(xué)表征。

【總結(jié)】

這項(xiàng)工作設(shè)計(jì)的負(fù)載在鋅金屬表面的親鋅微米刷，在化學(xué)成分上具有絡(luò)合鋅離子、去溶劑化等功能，在結(jié)構(gòu)組成上具有構(gòu)建電解液快速傳輸通道、促進(jìn)鋅離子定向轉(zhuǎn)移等功能，因此有效的控制了鋅枝晶的生長(zhǎng)、阻止了副反應(yīng)的發(fā)生。其對(duì)稱(chēng)電池與全電池測(cè)試都展現(xiàn)出了較為優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)，有希望應(yīng)用于實(shí)際水系儲(chǔ)能領(lǐng)域。

審核編輯 ：李倩