『AFM』新疆大学潘安强教授&王淑英教授&杨林钰副教授:高性能锌离子电池的三功能非晶In2O3阳极保护层设计

学术   2024-11-28 08:00   湖北  


01
全文摘要

Zn负极保护涂层的开发旨在抑制Zn枝晶生长,抑制析氢反应(HER),并提供良好的防腐蚀性能。然而,制备具有这三种特性的保护涂层仍然是一个挑战。在这项研究中,新疆大学潘安强教授&王淑英教授&杨林钰副教授团队设计了一种用于Zn负极的三功能非晶In2O3保护层。In/In3+的高氧化还原电位确保了涂层在水性电解质中的稳定性,并有效抑制HER。理论计算表明,非晶In2O3保护层具有较高的Zn2+亲和力,降低Zn2+的成核势垒并抑制枝晶生长。此外,这种非晶材料的各向异性提供了均匀的Zn2+吸附部位并增强耐腐蚀性。因此,非晶In2O3@Zn对称电池具有出色的稳定性和远超裸锌的循环寿命,显示出在1 mA cm-2处连续剥离/电镀的能力>5400 小时。电流密度为10 A g-1时,一个非晶In2O3@Zn//Ca-V2O5全电池在5000次循环后保留307.3 mA h g-1的比容量(循环保留率:76%)。In2O3@Zn的成功制备为获得高度稳定和长寿命的Zn负极提供了一种新方法。


02
图文速递







图1

a)用于抑制枝晶生长、HER和界面腐蚀反应的IO-1保护层示意图。b)IO-1@Zn的横截面SEM图像和相应的EDS元件映射。c)IO-1@Zn的SEM图像和相应的EDS元件映射。d)IO-1@Zn、IO-2@Zn和裸锌的XRD图谱。e)IO-1@Zn和f)IO-2@Zn的XPS O 1s精细光谱。







图2

a)In2O3的晶体结构。b)计算的非晶态IO-1的结构模型。c)Zn2+在IO-1@Zn、Zn(101)和Zn(002)表面上的吸附能。d)Zn2+吸附在Zn和IO-1@Zn表面的结构(俯视图和侧视图)。示意图显示Zn2+沉积在e)IO-1@Zn和f)裸Zn的阳极表面。







图3

对称电池在 a)1 mA cm-2和1 mAh cm-2、b)5 mA cm-2和2 mAh cm-2、c)10 mA cm-2和1 mAh cm-2处的循环结果。d)IO-1@Zn、IO-2@Zn和裸Zn的倍率性能。e)对称电池DODs在2 mA cm-2和18 mAh cm-2下的性能。f)IO-1@Zn电极与其他报道的Zn阳极的循环时间和电压滞后比较。







图4

a)IO-1@Zn//Ti、IO-2@Zn//Ti和裸Zn//Ti半电池的CE。b)IO-1@Zn和裸锌的TZn2+值。c)IO-1@Zn//Ti的GCD曲线。d)IO-1@Zn//Ti在0.5 mA cm-2下的成核过电位。e)IO-1@Zn//Ti、IO-2@Zn//Ti和裸Zn//Ti在0.5、1和5 mA cm-2处的成核过电位。f)评价平均锌剥离/电镀CE的“储层”方案。g)电流密度为4 mA cm-2时,IO-1@Zn和裸Zn电极上Zn2+沉积的电压-容量曲线。h)IO-1@Zn和裸Zn的接触角。







图5

a)裸Zn和b)IO-1@Zn循环50小时后的SEM图像。c)裸Zn和d)IO-1@Zn循环200小时后的SEM图像 e)IO-1@Zn和裸Zn循环200小时后的XRD图谱。f)裸Zn和g)IO-1@Zn上在5 mA cm-2下不同时间的的初始电镀Zn2+的原位光学显微镜照片。IO-1@Zn、IO-2@Zn和裸Zn的h)CA 曲线,i)LSV曲线,j)塔菲尔曲线。







图6

a)全电池的示意图。b)CaVO的XRD图谱。c)CaVO的SEM图像。d)Zn//CaVO和IO-1@Zn//CaVO的CV曲线。e)IO-1@Zn//CaVO在10 A g-1下的循环性能。f)用IO-1@Zn//CaVO制备的软包电池的循环性能。g)IO-1@Zn//CaVO软包电池点亮LED。



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研究结论

总之,本工作开发了可以同时调节Zn2+沉积、抑制腐蚀反应和抑制HER的三功能阳极涂层(IO-1保护层)。理论计算表明,IO-1@Zn的高锌亲和力降低了成核过电位,从而促进了Zn2+的快速成核。同时,IO-1@Zn的各向同性提供了均匀的成核位点,有效抑制了锌枝晶的形成。此外,In/In3+的高氧化还原电位,加上非晶材料中没有晶界,有效地防止了H2和ZHS的产生并抑制局部腐蚀。这增强了负极材料的耐腐蚀性,并显著提高了其在水性电解质中的稳定性。因此,IO-1@Zn对称电池在1 mA cm-2下的循环寿命为5400小时,低电压弛豫仅为20.9 mV。组装好的半电池表现出稳定的剥离/电镀性能,在5 mA cm-2下循环1000次后,平均CE为99.73%。同时,使用CaVO制备的全电池在10 A g-1下循环5000次后仍保留73%的容量。这项工作有望为AZIBs长寿命、高性能负极材料的开发提供新的见解。


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原文链接

Triple-Functional Amorphous In2O3 Anode Protection Layer Design for High-Performance Aqueous Zinc Ion Batteries

Jiadong Wu, Linyu Yang*, Shuying Wang*, Ablat Abliz, Kamale Tuokedaerhan, Haibing Li, Jie Li, Jun Wang, Anqiang Pan*

https://doi.org/10.1002/adfm.202419492



水系能源
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