『AFM』江苏师范大学王庆红&林雨潇&朱俞宣团队:用于稳定锌负极的多功能硅醇基成膜助剂

学术   2024-12-02 08:00   湖北  


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全文摘要

水系锌离子电池(AZIB)因其安全性高、制造工艺简单、资源丰富、理论容量高等优点而受到广泛关注。然而,AZIBs的工业应用受到Zn阳极上枝晶和副反应的不良生长的阻碍。在本研究中,江苏师范大学王庆红副教授&林雨潇教授&朱俞宣老师的团队将[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]尿素(3TMS)用作电解质添加剂,在Zn负极表面形成固体/电解质界面(SEI)膜。原位形成的SEI层不仅防止了Zn阳极与水直接接触的副反应,而且还诱导了沿(002)晶面的优先Zn沉积,抑制了枝晶的生长。这些协同功能使Zn负极在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下具有超过6000小时的超长循环寿命,以及750次循环后99.34%的高库仑效率。此外,添加3TMS添加剂的Zn//V2O5全电池在电流密度为0.5 A g-1下1000次循环后显示出114.4 mAh g-1的高比容量。这项工作提供了一种简单而可行的方法来开发稳定的Zn负极以用于高性能AZIBs。


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图文速递








图1

a)3TMS添加剂对Zn沉积的影响机制的示意图。b)3TMS溶液和3TMS-ZnSO4溶液的1HNMR光谱。c)3TMS在Zn衬底的(002)、(100)和(101)平面上的构型和结合能。相应的RDF图和配位数,d)空白电解质和e)3TMS-ZnSO4电解质。f)脱溶剂化过程中H2O和Zn2+的结合能计算。








图2

a)不同浓度3TMS的电解质的拉曼光谱。b)在电解液中加入3TMS添加剂,裸Zn箔和Zn阳极在1.0 mA cm-2和1.0 mAh cm-2下循环3次后的FTIR光谱。Zn负极表面3次循环后的高分辨率XPS光谱以及不同时间相应的Ar+溅射测量值:c,f)C 1s、d,g)O 1s、e,h)Si 2p。








图3

ZnSO4和3TMS-ZnSO4电解质中Zn阳极的a)Tafel极化曲线和b)LSV曲线。c)在1 mA cm-2的电流密度下,在充放电过程中,Zn阳极周围添加/不添加3TMS添加剂的电解液的pH值。d)浸入ZnSO4和3TMS-ZnSO4电解质中持续时间不同的Zn箔的XRD图谱。e)在150 mV的恒定电压下测试的CA曲线。f)电流密度为10 mA cm-2下ZnSO4和3TMS-ZnSO4电解液镀锌过程的原位光学显微镜图像。g)ZnSO4和3TMS-ZnSO4电解质中Zn阳极的原位电化学数字全息图。








图4

在空白ZnSO4和不同浓度的3TMS-ZnSO4电解质中,不同的电流密度和容量下对称电池循环,a)1 mA cm-2,1 mAh cm-2、b)4 mA cm-2,4 mAh cm-2、c)1 mA cm-2,20 mAh cm-2。d)使用3TMS电解质添加剂与一些先前报道的添加剂的Zn//Zn对称电池的循环性能比较。e)Zn//Cu电池在1 mA cm-2下的库仑效率曲线。








图5:全电池的电化学性能

电流密度为a)0.5 A g-1和c)1 A g-1时,Zn//V2O5全电池的长循环性能和CE。b)电流密度为0.5 A g-1时,处于不同循环状态的Zn//V2O5电池的恒流充放电曲线。d)使用基于3TMS电解质的全电池在0.1 mV s-1下的CV曲线。e)电流密度为1 A g-1时,Zn-MnO2电池的长循环性能和CE。



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研究结论

总之,采用成膜电解质添加剂3-尿素丙基三甲氧基硅烷原位构建凝胶状SEI层,以获得稳定的Zn负极。形成的SEI层不仅可以提供有效的保护以抑制化学腐蚀,还可以调节界面离子通量并促进脱溶剂化过程以诱导无枝晶沉积。由于这些协同作用,实现了高度可逆的Zn阳极。具体来说,添加3TMS电解质的Zn负极在1.0 mA cm-2和1 mAh cm-2下可提供超过6000小时的长循环寿命,以及99.34%的高CE。Zn//V2O5和Zn//MnO2在3TMS添加剂的存在下,电池表现出更好的电化学性能。这项工作为开发稳定的Zn负极以开发高性能AZIBs提供了一种可行的方法。


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原文链接

Multifunctional Silanol-Based Film-Forming Additive for Stable Zn Anode

Qinghua Xiao, Sidan He, Pengbo Liu, Mengya Ge, Yunsong Li, Yuxuan Zhu*, Yuxiao Lin*, Chao Wang, Qinghong Wang*
https://doi.org/10.1002/adfm.202417708


水系能源
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