『AM』中国科学技术大学陈立锋教授团队:构建3D交联大分子网络作为超稳定Zn金属负极的高效界面层

学术   2024-11-26 08:00   湖北  


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全文摘要

水系锌离子电池(AZIBs)因其理论容量高、锌资源丰富、本质安全性强等优点而发展迅速。然而,AZIBs的进展受到无法控制的寄生反应和枝晶过度生长的阻碍,这损害了锌金属负极的耐用性和有效利用。为了应对这些挑战,中国科学技术大学陈立锋教授团队构建了一个由锌离子键合马铃薯淀粉(StZ)组成的3D交联大分子网络,作为Zn箔(StZ-Zn)上的界面层,以抑制析氢,调节Zn2+通量,并确保均匀的Zn沉积。密度泛函理论计算、分子动力学仿真、COMSOL多物理场模拟和原位拉曼光谱表明,三维StZ界面层通过重组溶剂化壳层来促进Zn2+的脱溶。这个过程降低了H2O在阳极的浓度,从而抑制析氢反应。因此,Zn2+传输效率更高,促进了Zn2+通量的均匀性,并使Zn沉积无枝晶。因此,StZ-Zn||StZ-Zn对称电池在5 mA cm-2的电流密度下提供了4800小时的超长寿命,相应的累积容量高达12000 mAh cm-2。值得注意的是,StZ-Zn||NaV3O8·1.5H2O全电池可以在5 A g-1下稳定工作2500次,容量保持率高达92%。


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图文速递







图1

StZ层的a)O 1s和b)Zn 2p XPS光谱。c)比较St和StZ层的拉曼光谱。d)St、StZ-50、StZ和StZ-200的FTIR光谱。裸Zn和StZ-Zn电极的e)LSV曲线和f)Tafel图。g)具有不同电极的对称电池在-150 mV过电位下的CA曲线。h)面沉积容量为1 mAh cm-2、电流密度为 5 mA cm-2的裸Cu和StZ-Cu不对称电池的库仑效率。







图2

a,b)[Zn(H2O)5StZ]2+和[Zn(H2O)6]2+在脱溶过程中的分子几何形状。c)计算 [Zn(H2O)5StZ]2+和[Zn(H2O)6]2+的溶解能。d)三维交联大分子网络和e)聚集分子链中Zn2+输运的MD模拟快照。f)COMSOL模拟裸Zn和StZ-Zn的界面电流密度和电场分布。g)StZ-Zn电极在循环过程中的原位拉曼光谱。







图3

面积容量为1 mAh cm-2的裸Zn和StZ-Zn对称电池在电流密度为a)2 mA cm-2和b)5 mA cm-2时的电压时间曲线。c)对称电池的累积容量比较。d)恒定容量为1 mAh cm-2的对称电池在电流密度从0.5~10 mA cm-2到0.5 mA cm-2之间的速率性能变化。e)50次循环后裸Zn和StZ-Zn的激光显微镜图像。f)50次循环后裸Zn和StZ-Zn的XRD图谱。







图4

a)扫描速度为0.1 mV s-1时裸Zn||MnO2和StZ-Zn||MnO2全电池的CV曲线。b)裸Zn||MnO2和StZ-Zn||MnO2全电池的倍率性能。c)裸Zn||MnO2和StZ-Zn||MnO2全电池的Nyquist图。d)5 A g-1电流密度下,裸Zn||NVO和StZ-Zn||NVO全电池的循环性能。e)为LED供电的小软包电池数码照片。



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研究结论

总之,本文提出了一种简单的策略,在商用Zn箔上构建3D交联大分子网络界面层。这种方法有效地阻止了寄生反应,增强了Zn2+传输,并实现超稳定的Zn金属负极。淀粉衍生的界面层调节Zn2+溶剂化壳,大大促进Zn2+脱溶剂和抑制副反应。DFT计算、MD仿真、COMSOL多物理场模拟和原位拉曼光谱结果表明,三维交联大分子网络可以加速和均质化Zn2+迁移,引导均匀的Zn沉积,没有枝晶生长。因此,StZ-Zn||StZ-Zn对称电池在5 mA cm-2下表现出超过4800小时的超稳定性能,具有12000 mAh cm-2的相当大的累积面容量。StZ-Zn||NVO全电池在2500次循环后表现出92%的显著容量保持率,凸显了其在实际应用中的出色潜力。这项工作为高性能AZIB提供了一种有效的方法,为低成本、高安全性储能器件的发展提供了新的见解。


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原文链接

Constructing 3D Crosslinked Macromolecular Networks as a Highly Efficient Interface Layer for Ultra-Stable Zn Metal Anodes

Yi-Fan Qu, Jia-Wei Qian, Feng Zhang, Zibo Zhu, Yinbo Zhu, Zhiguo Hou, Qiangqiang Meng, Kai Chen, Shi Xue Dou, Li-Feng Chen*

https://doi.org/10.1002/adma.202413370



水系能源
科研人一枚,定期分享锌、锂、钠、钾、镁、锰等水系电池及电容器相关的文章,不定期更新热门专题系列
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