朱拉隆功大学秦家千/燕山大学张新宇/UCL何冠杰AM：大面积高可逆锌阳极设计及规模化应用

学术 2024-11-01 19:21 广东

来自公众号：能源学人

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【研究背景】

由于其固有的安全性、成本效益和高理论比容量（820 mAh g^-1），水系锌离子电池（AZIBs）成为储能设备的有力候选者。然而，AZIBs面临着关键的技术挑战：由于锌金属的亲锌性低、成核位置有限以及锌的镀/剥离不均匀，导致锌枝晶生长，加速了锌的消耗，并导致内部短路，大大缩短了电池寿命，阻碍了实际应用。此外，锌金属的高热力学活性，产生严重的寄生副反应，包括表面腐蚀，析氢反应（HER）和不良副产物的形成，从而降低库仑效率（CE）和容量衰减。

【工作介绍】

近日，来自泰国朱拉隆功大学秦家千、燕山大学张新宇、英国伦敦大学学院（UCL）何冠杰团队合作在Advanced Materials期刊发表题为“Highly Reversible Zn Anode Design Through Oriented ZnO(002) Facets”的研究论文。研究人员在锌阳极上大规模构建了具有热力学惯性和动力学亲锌性的高度取向的ZnO（002）晶格平面（ZnO（002）@Zn）。理论计算和实验结果均表明，ZnO（002）@Zn具有较高的Zn化学亲和性、抑制析氢反应和无枝晶沉积能力，这是由于ZnO（002）中含有丰富的晶格氧物种，且与Zn（002）的晶格失配较小。这些特征协同促进离子传输，实现了均匀的锌沉积。因此，ZnO（002）@Zn阳极即使在更大的放电深度（85.6%）下也具有超过500小时的稳定且耐久性的循环寿命，并且实现了优异的99.7%的平均库仑效率。此外，在V₂O₅阴极纽扣电池和软包电池中也有明显的效果，不仅具有高的放电容量，而且具有优异的循环稳定性。这种集成方法为解决与锌金属阳极相关的挑战提供了一条有希望的途径，从而推进了水系锌离子电池技术的发展。朱拉隆功大学杨成武，Pattaraporn Woottapanit、燕山大学耿思宁为论文共同第一作者，张新宇、何冠杰、秦家千为论文共同通讯作者。

【内容表述】

1. 锌离子在ZnO（002）表面沉积的理论分析

图1. a）非相干界面、半相干界面和相干界面下Zn在衬底上沉积的界面结构模型。b）Zn（101）和Zn（002）在ZnO（100）、ZnO（101）和ZnO（002）上的界面能。c）不同基底上H原子的∆G_H*计算。d）基底上锌沉积示意图。

2. 电极结构和形貌表征

图2. a，b）ZnO（100）@Zn和c，d）ZnO（002）@Zn的TEM和高分辨率TEM图像。e）裸Zn、ZnO（100）@Zn和ZnO（002）@Zn的XRD谱图。f）O 1s和g）Zn 2p的XPS光谱。h）ZnO（100）@Zn和i）ZnO（002）@Zn阳极的SEM图像。j）ZnO（100）@Zn和k）ZnO（002）@Zn的AFM图像。l）检测到的裸Zn、ZnO（100）@Zn和ZnO（002）@Zn上的杨氏模量。m）裸Zn、ZnO（100）@Zn和ZnO（002）@Zn在1、3、5和10 mV电位下的电流响应。n）制备的ZnO（100）@Zn和ZnO（002）@Zn的数码照片。

3. ZnO（002）@Zn高亲锌性

图3. a）锌在不同阳极上的成核过电位。b）Zn/Cu电池的CV曲线。c）锌电池的CA曲线。d）裸Zn-ZnO（100）@Zn和e）裸Zn-ZnO（002）@Zn电极上Zn沉积的数码照片。f）裸Zn-ZnO（100）@Zn和g）裸Zn-ZnO（002）@Zn在1 mA cm⁻²下沉积5 min后的SEM图像。

4. ZnO（002）有效抑制HER和枝晶生长

图4. a）LSV曲线，b）Tafel图，c）Zn²⁺离子在不同阳极上的去溶剂化能。d）在10 mA cm⁻²/10 mAh cm⁻²条件下镀锌过程中的原位GC结果。（e）裸Zn，（f）ZnO（100）@Zn，（g）ZnO（002）@Zn的原位光学显微镜图像。原位光学显微镜实验后Zn沉积在（h，i）裸Zn、（j，k）ZnO（100）@Zn和（l，m）ZnO（002）@Zn上的CLMS图像。

5. ZnO（002）@Zn的对称/非对称电池的电化学循环稳定性

图5. 锌电池在（a）0.5 mA cm⁻²/0.5 mAh cm⁻²、b）10 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²和c）2 mA cm⁻²/10 mAh cm⁻²下的循环性能。d）锌电池循环性能比较。e）5 mA cm⁻²/2.5 mAh cm⁻²下Zn/Cu电池的CE。f）裸Zn，g）ZnO（100）@Zn，h）ZnO（002）@Zn经过100次循环后的SEM图像。在10 mA cm⁻²电流密度下，i）裸Zn、j）ZnO（100）@Zn和k）ZnO（002）@Zn的原位XRD谱图。

6. ZnO（002）@Zn的全电池的电化学循环稳定性

图6. Zn/V₂O₅全电池的a）CV曲线，b）倍率性能，c）静息测量。d）在1 A g⁻¹下的长期循环性能。e）循环后Zn阳极的CLMS2D图像。f）ZnO（002）@Zn||V₂O₅软包电池的电压分布图。g）软包电池放电容量比较。h）驱动玩具车的软包电池。

Chengwu Yang, Pattaraporn Woottapanit, Sining Geng, Kittima Lolupiman, Xinyu Zhang, Zhiyuan Zeng, Guanjie He, Jiaqian Qin, Highly Reversible Zn Anode Design Through Oriented ZnO(002) Facets, Advanced Materials, 2024, https://doi.org/10.1002/adma.202408908

作者简介

张新宇博士，燕山大学材料科学与工程学院/亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室教授，博士生导师。主要从事高性能金属材料和新型亚稳材料设计开发及服役研究工作。包括金属结构材料开发、功能、能源材料和计算模拟等研究方向。发表SCI收录论文300多篇，获批国家发明专利50多项。获多项国家和省部级科技奖励，主持国家杰出青年科学基金，863等多项课题。所在的国家重点实验室先进结构材料中心课题组诚招优秀的博士后、博士加盟。

秦家千简介：泰国朱拉隆功大学二级研究员，教授，博士生导师，长期从事新材料的制备与应用的研究工作，已在国际一流刊物上发表论文100余篇，申请专利30余项，已获授权专利15项。目前担任Journal of Metals, Materials and Minerals主编， Advanced Powder Materials 和 Scientific Reports和编委。秦家千博士领导的能源转换与储存实验室隶属于朱拉隆功大学冶金与材料科学研究所，是研究所主要研究组之一。目前，本实验成员由教授，博士后，在读博/硕士及本科生组成。主要从事储能材料及新型电池技术的研究与开发。实验室目前得到泰国能源部，泰国国家研究基金理事会(National Research Council of Thailand), 泰国国家科学与技术发展局(National Science and Technology Development Agency)，已具有先进电池实验所需所有设备。本实验室有1-3名朱拉隆功大学C2F奖学金支持的博士后和博士生名额，欢迎咨询:jiaqian.q@chula.ac.th

何冠杰 UCL化学系副教授，博士生导师。2018年于UCL获得博士学位，攻读博士期间访学于耶鲁大学。先后任职于英国林肯大学(副教授)、伦敦大学玛丽女王学院(高级讲师)。主要研究领域为水系电化学能源存储与转换材料及器件。以通讯/第一作者在Joule, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett.等国际权威学术期刊发表SCI论文130余篇，被引8000余次，h指数51。主持超过300万镑的科研项目，包括欧洲研究理事会科研启动基金(ERC Starting Grants)等。担任Battery Energy期刊副主编、Green Energy Environ.、Sci. China Mater.、Nano Res. Energy、Energy Environ. Mater.、Adv. Powder Mater.、J. Met., Mater. Miner.期刊(青年)编委。2023年入选英国材料、矿物和采矿学会会士。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NDk5NDA5OA==&mid=2454842918&idx=7&sn=43d01c4bef01130944553bb45abe3ebd

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