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西北大学刘肖杰课题组AEM：高抗枝晶平面织构暴露和连续相外延实现超高面容量锌金属电池

能源学人 · 公众号 · · 2024-11-21 14:27

正文

【研究背景】

在水系电池范畴内，锌展现出诸多优势，其电化学电势较低，理论比容量（820 mAh g ^-1 ）与体积比容量（5855 mAh cm ^-3 ）颇高，且资源储量丰富。不过，当锌金属充当水系锌离子电池（AZIBs）的负极时，锌枝晶生长、界面寄生副反应不良以及不可逆副产物等问题随之而来，致使电池循环寿命缩短。鉴于此，调控锌金属负极的界面行为，对于达成高性能 AZIBs 极为关键。负极保护层因具有简单、高效、低成本等优势，被视作稳定锌阳极及其界面、提升锌金属阳极循环稳定性的直接且行之有效的途径。外延生长向来被视作攻克这些难题的有效手段，特别是在诱导（002）平面生长上效果显著。不过，（002）织构的锌因晶格畸变程度较大，在高容量情形下难以实现锌阳极的高度稳定。

【研究内容】

近日，西北大学刘肖杰课题组报道了应用易热聚合法成功制备出铜单原子锚定的聚合物氮化碳（Cu@PCN）。该Cu@PCN作为Zn表面的多功能保护层，能够在纳米尺度上提供丰富的成核位点，并且借助配位工程促使电子均匀分布。通过对碳基质里单个Cu原子与N原子的配位结构予以优化，可实现电场的重新分配并调控离子通量。尤为重要的是，首次发现这种单原子配位策略能够凭借降低（101）表面能，沿着抗枝晶性能优异的Zn（101）平面进行定向且连续的相外延定制。这种定向致密沉积模式达成了稳定且可逆的锌镀层与剥离过程，在10 A cm ^-2 以及20 mAh cm ^-2 的条件下，循环寿命可延长至 550 小时。此外，实用型全电池在 1200 次循环中亦呈现出稳定的性能表现。其成果以题为“ Oriented and Continuous Phase Epitaxy Enabled by A Highly Dendrite-Resistant Plane Toward Super-High Areal Capacity Zinc Metal Batteries”在国际顶级期刊 Advanced Energy Materials 上发表（DOI: 10.1002/aenm.202404071）。

【内容详情】

图1：Cu@PCN功能示意图和表征图

图2：Cu@PCN-Zn的抗腐蚀性测试

图3：Cu@PCN-Zn离子扩散电荷转移研究

图4：Cu@PCN-Zn机制研究

图5：锌负极的电化学性能

图6：全电池的电化学性能

【结论】

多功能界面Cu@PCN成功构建了锌负极涂层，显著抑制了析氢反应（HER）以及有害的寄生反应，减少了锌负极表面不可逆副产物的生成。实验与理论计算表明，借助配位工程实现的强Zn ²⁺ 吸附与强电荷极化效应，原子分散且具有高可逆性的Cu-N ₃ 亲锌位点能够调控局部空间电场的重新分布，降低成核过电位，保障锌在纳米尺度下均匀成核。疏水性与亲锌性的Cu@PCN层可将锌负极与水系电解质隔离，有效缓解副反应，并促进电镀/剥离过程中锌的均匀沉积。同时，Cu@PCN涂层降低了高抗枝晶性Zn（101）晶面的表面能。得益于这种定向且连续的镀锌过程，锌原子沿（101）晶面快速生长，即便在高镀覆容量下，也可获得均匀致密的（101）织构锌层。因此，对称电池在 10 mA cm ^-2 的电流密度下/10 mAh cm ^-2 的面积容量条件下重复镀锌/剥离过程中能够提供超过3000 mAh cm ^-2 的累积容量。将其与MnO ₂ 正极材料组装成Cu@PCN-Zn//MnO ₂ 全电池，在 1 A g ^-1 下循环1200次后仍展现出优异的容量保持率。本研究通过高性能水系锌离子电池（AZIB）的配位工程，为多功能界面调控层的合理设计提供了思路与借鉴。

Yangyang Wang, Chunxia Chen, Ao Xu, Jiaxin Lv, Miao Huang, Tiantian Ren, Jinbo Bai, Hu i Wang, and Xiaojie Liu*, Oriented and Continuous Phase Epitaxy Enabled by A Highly Dendrite-Resistant Plane Toward Super-High Areal Capacity Zinc Metal Batteries，Advanced Energy Materials, 2024, DOI: 10.1002/aenm.202404071.

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​西北大学刘肖杰课题组AEM：高抗枝晶平面织构暴露和连续相外延实现超高面容量锌金属电池

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西北大学刘肖杰课题组AEM：高抗枝晶平面织构暴露和连续相外延实现超高面容量锌金属电池