鑽石舞台

水系可充鋅電池具有安全性高、資源豐富、無毒環保等優點，在大規模儲能領域中展示出良好應用前景。然而，金屬鋅負極在傳統水系電解液中難以實現緻密沉積，這主要是由於鋅枝晶生長、界面氫析出等問題引起的。此外，疏鬆的鋅負極表面會加大電極和電解間的接觸面積，加劇界面副反應，嚴重影響電池的使用壽命和庫倫效率。考慮到金屬鋅在電化學沉積過程中往往伴隨着氫析出副反應，實現高面容量（>5mAh/cm2）條件下的緻密金屬鋅沉積仍面臨着很大的挑戰。

近日，河北大學張寧教授團隊在AdvancedFunctional Materials上在線發表了題為「Cholinium CationsEnable HighlyCompactand Dendrite-Free ZnMetal Anodes in Aqueous Electrolytes」的研究論文，通過在傳統硫酸鋅電解液中引入膽鹼陽離子（Ch+），可以在電解池體系中，實現緻密、無枝晶金屬鋅負極。結合多種實驗表徵技術和理論計算模擬，發現Ch+可以優先吸附在金屬鋅負極表面，可抑制「尖端效應」，引導鋅離子均勻沉積；同時，Ch+可以減少水分子在鋅負極界面的吸附，抑制由水引發的氫析出副反應。原位光學和掃描電鏡照片證明，即使在5和10 mAh/cm2的高面容量下，含膽鹼陽離子的電解液（BE-Ch）仍然可以引導金屬鋅的緻密沉積。作為對比，無論是在傳統硫酸鋅電解液（BE）還是在含Na+的硫酸鋅電解液（BE-Na）中，沉積的金屬鋅都呈現出了疏鬆多孔結構。此外，膽鹼陽離子添加劑策略適用於其他鋅鹽電解液體系，例如氯化鋅和醋酸鋅，顯示出一定的普適性。

圖1. 不同電解液體系中鋅沉積行為和形貌表徵。分子動力學模擬鋅負極界面結構，(a)傳統硫酸鋅電解液（BE）和（b）含膽鹼陽離子電解液（BE-Ch）；在 (c)BE，(d) BE-Na，和 (e) BE-Ch電解液中電化學鋅沉積行為的原位光學照片；鋅負極在(f)BE和 (g) BE-Ch電解液中的界面化學示意圖；在 (h-k) BE，(l-o) BE-Na，和 (p-s) BE-Ch電解液中電化學沉積金屬鋅的SEM照片。

本研究得到了國家自然科學基金（22075067）、中國科協青年人才托舉工程、河北省自然科學基金（B202020101）和河北大學科研創新團隊（hxkytd2102）的資助。

原文鏈接

Xueyu Nie, Licheng Miao, Wentao Yuan, Guoqiang Ma,Shengli Di,Yuanyuan Wang,Shigang Shen, and Ning Zhang*,Cholinium Cations Enable Highly Compact and Dendrite-Free Zn Metal Anodes in Aqueous Electrolytes,Advanced FunctionalMaterials,

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202203905.

相關進展

昆士蘭大學Ruth Knibbe、呂妙強團隊 CEJ：用於穩定水系鋅金屬負極的疏水親氟塗層

山東大學馮金奎教授課題組《Chem. Eng. J.》：親鋅生物質與MXene自組裝的綠色、柔性界面穩定鋅金屬負極

江南大學付少海教授與北卡州立大學張向武教授《Adv. Sci.》: 嵌氮界面改性實現高性能鋅離子電池負極