中南大学&中科大&南洋理工Adv. Mater.：亲锌微米刷助力优化锌负极电沉积动力学

Energist 能源学人

【研究背景】

水系锌离子电池因其环境友好、工作安全以及容量较高等优势，在实用规模化储能器件方面具有巨大的应用前景。但是，水系锌离子电池目前仍然存在着一些关键科学问题。这其中，作为电池负极的锌金属在工作中面临着锌枝晶的不可控生长以及析氢腐蚀的副反应等相关问题，这严重制约了水系锌离子电池的实际应用。如何对锌金属进行合理高效的表面修饰以获得可逆稳定的负极，成为了目前研究人员探索和攻坚的重点。

【成果简介】

近日，南洋理工颜清宇、中科大朱纪欣、中南大学刘洪涛等团队利用定向冷冻干燥与温和热还原的方法，在锌金属表面原位修饰亲锌微米刷，以改善锌金属负极的稳定性。通过亲锌微米刷的诱导作用以及去溶剂化作用，锌离子能快速高效地在负极表面进行可逆沉积，避免了锌枝晶的大量生长、抑制了副反应的发生。该研究工作以“Intrinsic Interfacial Dynamic Engineering of Zincophilic Microbrushes via Regulating Zn Deposition for Highly Reversible Aqueous Zinc Ion Battery”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。中南大学黄铁骑博士为本文第一作者。

【核心内容】

锌金属负极普遍存在两个比较严重的问题：其一，同锂一样，锌离子的电沉积会因为不均匀而导致锌枝晶不可控的生长，影响电池安全性；其二，在水系环境下，由于电极电势的关系，锌金属通常会发生析氢腐蚀等副反应，不仅造成库伦效率低，还会影响电池整体稳定性。对于锌金属负极的改性，目前的研究主要集中于对金属表面进行相关的修饰以改变表面化学成分或者结构状态，然而较少有文献对二者进行整合和规划。基于此，该工作从化学组成和微纳结构两个方面进行统合考虑，设计了一种具有合适含氧官能团含量的、一定取向结构的石墨烯基微米刷，从而实现了锌离子的精确诱导沉积以及析氢反应的有效削弱。作者通过理论计算与实验操作验证了这种设计的合理性与可靠性，利用详实的原位/非原位表征证明了负载亲锌微米刷的锌负极相较于其他对比材料的优越性。这项工作为水系锌离子电池负极的实用设计提供了可以借鉴的思路。

图1. 接枝亲锌微米刷的锌负极结构及相关表征。

图2. 亲锌微米刷的接触角测试及相关理论计算。

图3. 接枝亲锌微米刷的锌负极的电化学行为。

图4. 亲锌微米刷诱导沉积的原位/非原位表征及相关机理示意图。

图5. 以接枝亲锌微米刷的锌金属为负极的全电池的电化学表征。

【总结】

这项工作设计的负载在锌金属表面的亲锌微米刷，在化学成分上具有络合锌离子、去溶剂化等功能，在结构组成上具有构建电解液快速传输通道、促进锌离子定向转移等功能，因此有效的控制了锌枝晶的生长、阻止了副反应的发生。其对称电池与全电池测试都展现出了较为优异的电化学性质，有希望应用于实际水系储能领域。

Tieqi Huang, Kui Xu, Ning Jia, Lan Yang, Hongtao Liu*, Jixin Zhu*, Qingyu Yan*, Intrinsic Interfacial Dynamic Engineering of Zincophilic Microbrushes via Regulating Zn Deposition for Highly Reversible Aqueous Zinc Ion Battery, Advanced Materials, 2022.

https://doi.org/10.1002/adma.202205206

作者简介

颜清宇南洋理工大学材料科学与工程学院教授，助理院长，新加坡电化学学会主席。主要研究领域为热电材料、用于电化学储能或转化的材料和电催化。2018年成为皇家化学学会成员，2018年、2019年、2020年、2021年、2022年汤森路透材料科学高被引科学家。发表SCI论文超过300篇，引用超过3.6万次，H指数>100。2016年起担任Materials Research Express（IOP期刊）的编委， Exploration (Wiley)的associate editor。

朱纪欣中国科学技术大学特任教授，博士生导师，主要从事新能源材料制备与储能机制、安全电子器件与火灾防控等研究。目前，在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Phy. Rev., Nature Commun.等期刊上发表SCI论文180余篇，被引用13000余次，H因子64。入选英国皇家化学会会士（FRSC）、科睿唯安“全球高被引作者”等。

刘洪涛中南大学教授，博士生导师，中南大学化学电源与材料研究所副所长，中南大学531第二层次人才。主要从事电化学技术和先进电池方面的基础理论和应用开发研究；主持和联合承担国家重点研发计划（课题）、国家自然科学基金（面上）、湖南省科技计划（重大、重点）、湖南省自然科学基金（重点、面上）等项目20余项；申请国家发明专利30余件（授权>20件），发表科研论文200余篇；多次荣获中南大学优秀教师奖。

黄铁骑中南大学讲师，硕士生导师，主要从事碳基材料的自组装设计与功能化研究。目前以第一作者在《Advanced Materials》《Energy Storage Materials》等国际知名期刊发表SCI研究论文8篇；论文总被引2700余次，H-index为18；主持1项国家自然科学基金青年基金；以第一发明人获国家发明专利授权5项。

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