【儀表網 研發(fā)快訊】近日，中國科學院合肥物質院固體所胡林華研究員團隊在水系鋅離子電池(AZIBs)電解液研究方面取得了新進展。他們通過在電解液中引入親鋅性馬來酸鈉添加劑，成功地改變了鋅電極的表面生長，從而顯著提高了電池的充放電可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性。這一研究成果發(fā)表在國際期刊 Advanced Functional Materials 上。
水系鋅離子電池作為一種環(huán)境友好、安全可靠、成本低廉的儲能系統(tǒng)，備受關注。然而，鋅枝晶的生長問題一直是制約其商業(yè)化的主要障礙。枝晶生長會導致電池的可逆性降低，嚴重時甚至可能導致電池短路。
金屬鋅具有六方密排的晶體結構，其中(002)、(101)和(100)晶面是其晶體學特征的主要組成部分。在此次研究中，研究人員發(fā)現，鋅(002)晶面具有光滑的原子排列，且原子密度大、表面能低，這導致界面電荷密度均勻，原子結合緊密，有利于Zn2+的均勻沉積和更好的抗腐蝕能力。相比之下，鋅(101)和(100)面的原子排列不光滑，界面電荷分布不均勻，這增加了枝晶生長的風險。
基于這一發(fā)現，研究人員構建了一種誘導Zn(002)織構同質外延電沉積的添加劑電解液策略。通過馬來酸鈉(DMA)的吸附調節(jié)，成功誘導了Zn(002)織構的生長，并抑制了副反應的發(fā)生。在嚴格的電鍍/剝離循環(huán)測試下，使用這種添加劑的Zn//Zn對稱電池表現出了超過3200小時的循環(huán)穩(wěn)定性能。即使在極端條件下，如30 mA cm-2和30 mAh cm-2，包含馬來酸鈉的Zn//Zn對稱電池仍能保持120小時的穩(wěn)定循環(huán)壽命。
此外，使用改性電解液的Zn//Cu電池在穩(wěn)定循環(huán)3000次后，平均庫倫效率高達99.81%。而Zn//NH4V4O10扣式電池在5 A g-1下循環(huán)10000次后容量保持率仍為92.3%。更令人振奮的是，即使在低N/P比為8.5:1的情況下，Zn//NH4V4O10全電池依然可以穩(wěn)定循環(huán)超過5000次，這是普通電池的三倍以上。
此次研究的成功在于通過吸附馬來酸鈉分子層對界面鋅離子在不同晶面的遷移行為進行調控，從而誘導Zn(002)晶面的生長。這為在分子水平上實現鋅負極優(yōu)勢織構生長提供了一種有前景的策略，并有望應用于其他的金屬負極。
固體所博士研究生韋婷婷為論文第一作者，固體所胡林華研究員、李兆乾副研究員和中國科學院上海高等研究院朱大明研究員為論文通訊作者。該工作得到了合肥物質院院長基金的支持。
圖1. 不同電解液中的Zn沉積機理示意圖。
圖2. (a)Cis-DMA和trans-DMA的LUMO和HOMO能級；(b)不同電流密度和不同電解液中沉積鋅片的XRD圖譜(R = I(002)/I(101))；(c)不同電解液中沉積鋅片的RTC值；(d, e)在不同電解液中沉積鋅片的X射線極圖；(f-h)不同電解液中沉積鋅片的2D-GIXRD圖譜：(f)ZnSO4中沉積的鋅片，(g)DMA/ZnSO4中沉積的鋅片,(h)在DMA/ZnSO4中循環(huán)10圈后的鋅片；(i)不同電解液中沉積鋅片的SEM和FESEM圖。
圖3. (a)10 mA cm？2下ZnSO4和DMA/ZnSO4電解液中沉積的原位光學顯微觀察圖；(b)10 mA cm？2下DMA/ZnSO4電解液中半原位沉積XRD圖譜；(c)10 mAh cm？2下ZnSO4和DMA/ZnSO4電解液中沉積鋅片的側面SEM圖。
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