研究背景
水系锌离子电池由于水系电解质固有的安全性、成本效益和金属锌的有利化学势，成为解决有机电池安全性问题的一个有效的方案。然而，锌金属阳极有限的寿命严重阻碍了水系锌离子电池的发展，这主要归因于枝晶问题和相关的副反应。为了从根本上解决枝晶生长的问题并制定有效的策略，深入了解其潜在机理至关重要。
目前，基于研究阴离子行为的空间电荷理论对枝晶的形成做出了解释。根据该理论，阴离子和阳离子在外加电场的驱动下向相反的方向迁移，导致阴离子和阳离子在阳极附近形成浓度梯度差。在电场的持续作用下，阳极表面的阳离子浓度可以从阴极得到补充不会被耗尽，而阴离子被不断消耗，直到浓度最终达到零，在阳极表面形成“阴离子耗尽层“。在这个区域，形成一个强大的电场，电势急剧下降，放大了阳离子沉积的尖端效应，触发枝晶生长。因此，将阴离子锚定在阳极界面区形成反阴离子耗尽层，可以有效地阻止强空间电荷场的产生，抑制枝晶的形成。
目前已经报道了一些调节阴离子的策略，例如使用电解液添加剂。添加剂中带正电的官能团可以捕获阴离子，随着阴离子被固定，整个电解质区域的浓度梯度和电场分布均质化。然而，使用电解质添加剂可能会对电解质的离子电导率、阴极侧的反应等产生负面影响。实际上，锌离子的沉积行为只发生在阳极表面。因此，在锌阳极表面构建功能性涂层来限制阴离子是一种更有效的策略。
研究内容
层状双金属氢氧化物(LDHs)可以捕获大量的阴离子，是一种天然的阴离子吸附剂，同时，还具有良好的离子导电性，Zn2+可以很容易地穿过层间。鉴于此，华中师范大学杨泽&余颖教授团队提出一种基于LDHs材料对阴离子的限域效应构建“反阴离子耗尽层”的策略来抑制锌枝晶的生长。通过研究不同LDHs(ZnAl-LDH、MgAl-LDH、ZnCr-LDH和CoFe-LDH)对SO42-阴离子的吸附能力，选择了最优的ZnAl-LDH在Zn阳极表面构建“反阴离子耗尽层”，同时利用原位工程对ZnAl-LDH微观形貌进行了优化，使LDHs纳米片垂直于锌金属表面生长，以提高Zn2+的沉积通量。得益于ZnAl-LDH构建的“反阴离子耗尽层”和对阳离子通量的调节，修饰后的Zn阳极显示出稳定的循环性能(超过5500次循环)和最小的电压滞后(80mV)。这项研究证明了构建“反阴离子耗尽层“策略的可行性，为抑制枝晶开辟了一条新途径。
其成果以题为“Construction of an anti-anionic-depletion layer to mitigate the tip deposition effect for dendrite-free zinc anode”在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表。本文第一作者为李小惠和邱丹，通讯作者为杨泽副教授、余颖教授，通讯单位为华中师范大学物理科学与技术学院。
研究亮点
⭐基于空间电荷理论，利用LDHs材料对阴离子的限域效应提出了一种在阳极表面构建“反阴离子耗尽层”的策略来抑制枝晶生长。
⭐通过研究四种典型的LDHs材料对阴离子的限制作用，对阴离子固定能力最强的ZnAl-LDH涂层实现了锌阳极性能的提升。
⭐通过原位工程优化了ZnAl-LDH的微观形貌来调节阳离子通量，提高了Zn阳极在大电流密度下的循环性能。
研究内容
图1. 固定阴离子提高循环性能
▲组装Zn-Mn全电池验证该策略的实用性。在N/P=5的全电池性能测试中，优化后的Zn@ZnAl||KMO电池倍率性能和循环性能均优于其他对照组。为了进一步证明Zn@ZnAl阳极的稳定性，组装了锌离子电容器，在循环10000圈后容量保持率高达90%。因此，消除阴离子耗尽和均匀的Zn2+通量对锌阳极的保护是有效的，对提高水系锌基储能装置的性能具有重要意义。
研究结论
文献信息
Construction of an anti-anionic-depletion layer to mitigate the tip deposition effect for dendrite-free zinc anode, Xiaohui Li, Dan Qiu, Qiancheng Zhou, Ze Yang*, Xing Zhou, Wenping Wang, Chenchen Wei, Ting Zou, Ying Yu*, Chem. Eng. J., https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153855
团队介绍
杨泽副教授简介：华中师范大学物理科学与技术学院副教授、硕导。2014年获得华中科技大学博士学位。随后在美国休斯敦大学物理系从事博士后研究工作。2019年来到华中师范大学物理科学与技术学院纳米科技研究院从事教学和科研工作。已主持和参与多项国家自然科学基金。正从事能源存储(锂/钠/锌离子电池)方面的研究。发表SCI论文30余篇，被引2000余次，其中ESI高被引论文2篇。
余颖教授简介：华中师范大学物理科学与技术学院教授、博导，国际刊物Materials Today Physics副主编。2000年在南开大学获得理学博士学位之后来到华中师范大学从事教学和科研工作，期间于2003年11月~2007年5月分别到香港中文大学、美国普林斯顿大学、美国波士顿学院从事了博士后和访问工作研究。目前正在从事纳米结构材料的制备及其在能源存储与转换和环境等领域应用的研究工作，已在Nat. Common.、Energy Environ. Sci.、JACS、Angew. Chem. In. Ed.、Nano Lett.、Adv. Energy Matter.等上共发表SCI论文近160篇，被他人引用超过9000次，单篇最高引用700多次，论文H指数为54，并获得了12项国家发明专利的授权。入选科睿唯安2022年度“高被引科学家”名单，并于2020年荣获“湖北省百名优秀女性科技创新人才”称号，2023、2013和2009年作为第一完成人分别获得湖北省自然科学一等奖、二等奖和三等奖。
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