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纳米团簇胶体电解液助力稳定可逆锌负极

能源学人 · 公众号 · · 2024-12-02 11:11

正文

【研究背景】

水系锌离子电池具有资源丰富、成本低廉、环境友好和安全可靠等优点，在大规模储能系统中具有广阔的应用前景。然而，水相系统中不可逆的副反应（析氢和腐蚀）和枝晶生长严重限制了水系锌离子电池的寿命，减缓了其商业化步伐。

【工作介绍】

近日，西北工业大学王建淦教授和薛语萌副教授课题组提出了一种创新的纳米团簇胶体电解液策略，用于构建耐腐蚀、无枝晶锌负极。胶体电解液中的铜纳米团簇（CuNC）在锌负极表面原位形成了亲锌保护层，有效引导了锌离子的均匀沉积，抑制了腐蚀和析氢等副反应。此外，CuNC提高了电解液的电导率，增强了锌离子的传输/扩散动力学。基于该策略，锌负极在2100次循环后库仑效率仍然高达99.8%，耐久性长达2200 h。这项研究成果为高性能锌离子电池的开发提供了新的思路，未来有望在储能领域发挥重要作用。该文章发表在国际顶级期刊Nano Letters上。彭嘉卉，孙欢欢，闻梦瑶为本文第一作者。

【内容表述】

1. CuNC胶体电解液的物化表征和锌负极表面特性研究

透射电子显微镜、X射线光电子能谱和荧光光谱结果表明该团队成功制备了CuNC胶体电解液。CuNC有效改善了ZnSO ₄ 电解液的导电性，当胶体电解液与Zn负极直接接触时，表面带正电的CuNC被锌金属还原，在Zn负极表面原位形成多功能CuNC纳米层。CuNC纳米层不仅可以增强电极表面润湿性，还可以有效抑制析氢副反应。

图1. CuNC胶体电解液物化性质，电极表面组成和特性表征

2. CuNC胶体电解液增强锌的可逆沉积/溶解

在CuNC胶体电解液中，Zn||Zn对称电池在0.5/5 mA cm ^-2 电流密度下可稳定运行2200/1300 h。与之形成鲜明对比，在未改性电解液中，Zn||Zn对称电池在100 h后均出现剧烈波动并失效。这表明CuNC胶体电解液能够有效增强锌离子的可逆沉积/溶解，提高锌负极的循环可逆性及寿命。同时，CuNC胶体电解液显著降低了锌离子形核和沉积/剥离过电位。此外，在CuNC胶体电解液中，Zn||Cu非对称电池的平均库伦效率高达99.8%，同时锌的可逆沉积/溶解可以达到2100圈，该性能与已报道的水系锌离子电池相比处于领先地位。

图2. Zn负极在ZnSO ₄ 和CuNC胶体电解液中的电化学性能表征

3. CuNC胶体电解液助力锌的快速均匀沉积

原位光学显微分析表明，在未改性电解液中Zn负极表面沉积锌时出现枝晶和凸起，枝晶和凸起随着沉积时间延长而加剧。与之形成鲜明对比，在CuNC胶体电解液中，Zn负极表面则非常平整，沉积时间延长至60 min时也未出现明显凸起。沉积锌后的SEM照片进一步证明了CuNC胶体电解液有助于实现Zn ²⁺ 的无枝晶沉积。为了进一步研究CuNC胶体电解液调控Zn ²⁺ 均匀沉积的内在作用机制，我们对负极表面去溶剂化能和吸附能进行了系统分析。CuNC胶体电解液中Zn负极的去溶剂化能明显降低，证明CuNC胶体电解液有利于去溶剂化过程的进行。此外，DTF计算结果表明Zn和H ₂ O在CuNC表面上吸附能均显著高于纯Zn，CuNC/Zn表面亲锌性和亲水性更高，有利于加速锌离子沉积动力学和去溶剂化。

图3. Zn ²⁺ 在ZnSO ₄ 和CuNC胶体电解液中沉积特性表征

图4. Zn ²⁺ 在ZnSO ₄ 和CuNC胶体电解液中沉积动力学表征与计算

Jiahui Peng, Huanhuan Sun, Mengyao Wen, Yuming Chen, Zhixuan Luo, Yu Huyan, Yumeng Xue,* and Jian-Gan Wang*, A Nanocluster Colloidal Electrolyte Enables Highly Stable and Reversible Zinc Anodes, Nano Lett., https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c03201

作者简介

王建淦：西北工业大学材料学院教授，博士生导师，主要从事纳米碳基储能电池材料的设计及其器件研究。迄今在Energy Environ.Sci., Prog. Mater. Sci, Mater. Today等国际高水平刊物上发表论文140余篇，论文总引用次数超过10000，H因子57。

薛语萌：西北工业大学材料学院副教授、博士生导师，主要致力于多功能生物活性材料的构筑及其在生物催化、组织工程和疾病诊疗等方面的应用和作用机制研究。迄今已在Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials等国内外学术期刊上发表学术论文50余篇，h-index为27。

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