close

點擊藍字關注我們

鋅金屬由於其高理論容量（820 mAh g-1）、低還原電位（-0.762 V vs SHE）和安全環保的優勢被認為是最有潛力的電池負極之一。然而，在電化學循環過程中，鋅負極表面上發生的副反應以及枝晶生長導致電池的庫倫效率低，循環壽命有限。這嚴重限制了鋅金屬電池的實際應用。近期，吉林大學張冬教授團隊在抑制鋅枝晶生長方面取得新進展，利用材料的高導電性和親鋅性，雙管齊下，探索了親鋅性的富氮碳材料在鋅金屬電池中對鋅離子均勻沉積的引導作用，豐富了製備無枝晶生長的鋅金屬電池的設計理念，相關成果以標題為「N-Rich carbon as Zn2+modulation layers for dendrite-free, highly reversible zinc anodes」發表在Chemical Engineering Journal。

I材料合成：


圖1(a) CN的合成過程；(b) CN的XRD譜；(c) CN的N 1s XPS譜；(d) CN-Ti或g-C3N4-Ti對稱電池的Nyquist圖。(e-g) CN的STEM圖像和相應的元素圖。

實驗從「具有強親鋅性的氮位點可以促進鋅離子均勻成核」的設計理念出發，以尿素為原材料合成了富氮位點的碳材料（CN），以在保持高含氮量的同時兼顧高導電性，避免負極表面的電荷聚集，實現鋅離子的均勻沉積，抑制枝晶的生成。如圖1所示，XRD圖譜、XPS圖譜以及STEM圖像證明在鎂熱反應後g-C3N4成功轉變為高導電性的含氮碳材料。

IICN保護層作用機理


圖2(a, d)裸鋅、(b, e)g-C3N4-Zn和(c, f)CN-Zn在電解液中浸泡8天後的XRD譜圖和SEM圖；(g)裸鋅、g-C3N4-Zn和CN-Zn在電解液中浸泡後的硫元素含量；(h)不同電極的Tafel曲線和(i)析氫演化曲線。


圖3(a)在10 mA cm−2的電流下，裸鋅、g-C3N4-Zn和CN-Zn負極表面上枝晶的生長過程。(b)沉積容量為10 mAh時，裸鋅、(c)g-C3N4-Zn和(d)CN-Zn的三維光學表面形貌圖。模擬(e)裸鋅、(f) g-C3N4-Zn和(g)CN-Zn上的電場分布。

如圖2和圖3所示，通過浸泡實驗、電化學測試、原位或非原位觀測手段以及COMSOL計算模擬發現，相比於裸鋅和g-C3N4-Zn上嚴重的副反應和枝晶生長，CN修飾的鋅負極表面的析氫和腐蝕反應明顯減弱，鋅離子沉積層緻密且平整。這表明CN層能均勻化負極表面的電場並通過氮位點結合鋅離子，雙管齊下，誘導鋅離子均勻沉積。

III電化學性能


圖4(a)不同電極的對稱電池在1 mA cm−2時的庫倫效率；(b)Zn||CN-Ti電池的電壓分布；(c)CN-Zn，(d)g-C3N4-Zn和(e)裸鋅在不同溫度下的Nyquist圖；(f)裸鋅、g-C3N4-Zn和CN-Zn的Arrhenius曲線和活化能。對稱電池的(g)倍率性能和(h)對應的過電位；(i)對稱電池的循環性能，插圖是電壓分布圖；(j)與其他工作的性能比較表

CN保護的鋅負極的半電池的庫倫效率明顯提升，去溶劑化能力增強，且對稱電池的循環壽命顯著提升，沉積過電位明顯降低。在1mAhcm-2的沉積量下具有1300h的超長壽命。這一性能在同類界面層中表現優異。


圖5Zn||MnO2全電池的(a)CV，(b)倍率性能和(c)在1A g-1時的循環性能；(d)軟包電池圖像和(e)在5mA時的循環性能。

基於CN保護層對負極界面及動力學的改性作用，其匹配MnO2的全電池表現出相比於裸鋅負極和g-C3N4-Zn負極顯著提升的電化學性能。CN-Zn||MnO2電池在1 A g-1時具有超過1300圈的穩定循環；並且組裝的軟包電池在循環後具有116 mAh g-1的容量。

原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139257

作者簡介





向上滑動閱覽

張冬教授團隊專注於高比能金屬電池（鋰硫、鈉硫、鋰硒、鈉硒）和水系電池等儲能材料與器件的設計與開發。作為項目負責人主持多項國家自然科學基金委，教育部和吉林省科技廳項目，在Nano Energy，EEM，JMCA，CEJ等國際著名雜誌發表SCI/EI 論文100餘篇。

相關進展

浙江大學黃寧課題組 JACS：高導電性哌嗪類共價有機框架材料的設計合成

北化毋偉教授課題組 CEJ：二維二硫化鉬/碳點複合材料的簡單高效製備且具有優異的染料吸附性能

北大王前教授課題組 Nano Today/ Phys. Rep. 綜述：五邊形二維材料「碳」在材料科學與納米技術中的領頭羊作用

化學與材料科學原創文章。歡迎個人轉發和分享，刊物或媒體如需轉載，請聯繫郵箱：chen@chemshow.cn

掃二維碼｜關注我們

微信號 :Chem-MSE



誠邀投稿


歡迎專家學者提供化學化工、材料科學與工程產學研方面的稿件至chen@chemshow.cn，並請註明詳細聯繫信息。化學與材料科學®會及時選用推送。

arrow
arrow
    全站熱搜
    創作者介紹
    創作者 鑽石舞台 的頭像
    鑽石舞台

    鑽石舞台

    鑽石舞台 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()