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水系锌离子电池研究取得新进展

作者:ag亚洲游戏集团官网网址 时间:2022-03-03 点击数:

近期,我院杨泽副教授和余颖教授在水系锌离子电池研究方向取得重要进展,相关成果以“A highly reversible, dendrite-free zinc metal anodes enabled by a dual-layered interface”为题发表在国际能源材料顶级期刊Energy Storage Materials(DOI: 10.1016/j.ensm.2022.02.024)上(该杂志为中科院一区刊物,影响因子为17.789)。论文第一作者为硕士生王思俊。

当前水系锌离子电池锌负极主要面临着枝晶过度生长、析氢与表面腐蚀钝化等问题,极大地影响着锌离子电池的循环性能。解决这些问题的策略主要有三种:(1)在锌金属表面构建人工界面层;(2)构造新型电极结构;(3)优化电解液。其中在锌负极表面构建人工界面层选择性范围广,成本低廉,制备简单,容易控制,具有很大的应用前景。通常,有机界面层柔韧性好,具有较强的机械性能,能够适应循环过程中锌负极的体积变化,缓冲锌枝晶的生长。它可以完全覆盖电极表面,有效防止锌负极与电解液直接接触,抑制腐蚀发生。此外,有机涂层通常含有能吸引锌离子的极性基团,可诱导电解液中锌离子的均匀沉积。无机材料在水电解质中具有较高的稳定性和耐腐蚀性,不易在水中溶解。而且,无机涂层可提供Zn2+通道,重新分配 Zn2+通量,提高 Zn2+迁移率,促进均匀成核,抑制枝晶生长,降低去溶剂化能量。为了整合有机涂层和无机涂层的优点,越来越多的研究人员致力于开发无机/有机复合材料作为锌负极保护层,现有的无机/有机复合涂层往往成本较高,制造工艺复杂,限制了其在大型储能装置中的应用。因此,设计一种经济简单、能够有效调控Zn2+沉积的无机/有机复合保护层对实现无枝晶锌金属负极具有重要意义。

该论文提出了一种有机-无机协同界面保护层Nafion/Zn3(PO4)2(NFZP)来稳定锌负极,并对其机理进行了研究。Zn3(PO4)2层具有较高的Zn2+电导率,有利于Zn2+的迁移;Nafion层能在Zn3(PO4)2表面形成共形致密的涂层,与Zn3(PO4)2形成复合修饰层诱导Zn2+的定向沉积。这种协同界面层能有效抑制阴离子和自由水分子与内部锌金属的反应,从而抑制锌枝晶的失控生长和析氢等副反应。双层界面也增强了Zn2+的电导率,从而降低Zn2+沉积/溶解的过电位。将修饰后的锌电极NFZP@Zn组装成对称电池表现出优异的长循环寿命以及低过电位。当与MnO2、V2O3等正极材料组装成全电池进行测试时,NFZP@Zn电极对应的电池展现出显著的循环稳定性。该方法不仅为实现无枝晶锌负极提供了一种简单、低成本的方法,而且为Zn2+沉积提供了一种新的认识。

此研究得到国家自然科学基金、中央高校基本业务费、ag亚洲游戏集团研究生教育创新基金的资助。



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