金属锌阳极具有高安全性、可持续性、环保性、低电化学电位（-0.76V，与标准氢电势相比）和高理论比容量（820mAh g-1）的独特优势，使锌离子电池 （Zinc-ion batteries, 简称ZIBs）成为有前途的下一代大型储能系统。。然而，锌枝晶的生长以及主要是由游离水引起的相关副反应（析氢、腐蚀和钝化）影响其循环稳定性，阻碍了ZIBs进一步发展。通过在锌箔/锌板上设计表面涂层可以控制界面电子转移动力学、离子扩散模式和界面上的水/氧含量，同时又保持了良好的工业实用性优势。液体金属涂层在室温下同时具有金属导电性和液体延展性，不仅可以在扩散过程中调节锌沉积行为还能提高其耐腐蚀性。然而， Ga-In LMs具有高表面张力（>600mN/m）和流动性使得电极/电解质界面不稳定，仍会导致枝晶生长和大量副反应。因此，探索简便的基底设计和合理的液态金属涂层制备方法，对设计出高性能的 ZIBs 具有重要的科学研究意义。
青岛科技大学朱晓东教授，高健副教授课题组创造性设计了一种具有高离子电导率的锌阳极保护涂层，以提高锌负极的稳定性和使用寿命。该策略通过简单的机械研磨技术，含有氧孤电子对的Zn2+导体ZnO可以和具有空电子轨道的液态金属相互作用，从而限制了LMs的表面张力，实现了涂层与电解质之间的最佳接触。通过实验和理论计算，所设计的高离子电导率（1.59 mS cm-1）和转移数（0.73）GIZO@Zn复合阳极能够促进锌的均匀沉积，抑制枝晶生长和析氢反应。采用GIZO@Zn组装的对称电池在较低过电位（约 28 mV）的条件下实现了超过 3000 小时的超长寿命。组装的非对称微电池在 1 A g-1 下循环 2 000 次后实现了接近 100% 的高平均库仑效率。
图1：在Zn /GIZO@Zn阳极上沉积/剥离的示意图。
图2: a) GIZO@Zn//MnO2微电池的制备工艺示意图。b)多个微电池串联器件柔性展示和c)不同物理状态下的GIZO复合材料的数码照片。d) GIZO@Zn的三维AFM图像。e,f) GIZO@Zn的表面SEM图像。g) GIZO的XRD图谱。h) Zn 2p和i) O 1s的XPS光谱。
图3： a) Zn2+在Zn或GIZO@Zn上不同吸附位点的吸附模型对应结合能。b) Zn2+与Zn或GIZO@Zn电极的差分电荷。c)成核过电位曲线。Zn和GIZO@Zn的d)电导率和e)转移数。f) CA图。g) Zn/GIZO@Zn||Ti半电池的CV曲线h)CE和i)GCD曲线。
图4：原位观察a) Zn和b) GIZO@Zn在40mA cm-2的电流密度下电沉积的光学显微镜图像。2 M ZnSO4与c) Zn或d) GaIn@Zn或e) GIZO@Zn阳极表面的接触角图像。循环后的SEM图像：f) Zn和g) GIZO@Zn。h)循环后的XRD图（去除GIZO@ Zn阳极保护层）。
图5：a)对称电池在电流密度为0.5~10 mA cm-2，容量为1 mA h cm-2时的速率性能。对称电池的恒流循环性能：b) 10 mA cm-2和1 mA h cm-2，c) 1 mA cm-2和1 mA h cm-2，d) 5 mA cm-2和5 mA h cm-2。
图6：Zn//MnO2微电池的电化学性能：a) 0.1 mV s-1的CV曲线。b)充放电曲线。c)速率性能。d) EIS曲线。e)在1A g-1下的长期循环性能。f) GIZO@Zn//MnO2 微电池的串联和并联形式。g)集成的微电池为LED灯供电以及h)器件放大视图。
论文信息：
ZnO Nanoparticle Assisted Liquid Metal for Dendrite-Free Zn Metal Anodes
Li-Jun Tang, Jian Gao*, Xue Liang, Qian Zhang, Zhiguo Lv, Yong-Chao Zhang, Xiao-Dong Zhu*
Small
DOI: 10.1002/smll.202407153
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