『水系锌电』中科大陈维Nature子刊:双层固体电解质界面实现锌负极利用率和库伦效率的新纪录

文摘   2024-10-02 08:12   英国  

研究背景


金属锌(Zn)具有理论容量高、成本低和本质安全等优点,被认为是后锂金属电池系统中最具吸引力的负极材料之一。然而,锌枝晶和寄生副反应阻碍了锌负极的实际应用。构建锌负极固体电解质界面(SEI)是稳定锌负极/电解质相间的有效策略。然而,锌负极的常规单层SEI马赛克结构中无机成分的随机分布会导致有偏向的Zn2+传输和不均匀的Zn沉积/剥离过程。沉积过程中不均匀的应力分布很可能导致单层SEI在反复镀锌/剥锌过程中破裂,从而导致其失效。


研究内容


在此,中国科学技术大学陈维教授、李震宇教授华南理工大学王宇教授合作提出构建一种坚固的双层SEI,它能同时实现均匀的Zn2+传输和持久的机械稳定性,从而提高锌负极的锌利用率(ZUR)和库仑效率(CE),实现了ZUR和CE的新纪录。这种双层SEI由富含ZnCO3的结晶外层和富含ZnS的无定形内层组成。有序的外层提高了循环过程中SEI的机械稳定性,而无定形的内层则均匀了Zn2+的传输,实现了均匀、致密的锌沉积。因此,双层SEI能够实现高度可逆的镀锌/剥离,平均CE值高达99.95%。同时,Zn||Zn对称电池在98%的高ZUR(28.4 mAh cm-2)下,显示出超过550小时的持久寿命。此外,基于双层SEI功能化的锌负极和不同正极搭配组装的全电池在低N/P比下均表现出稳定的循环性能。这项研究将为未来的SEI设计提供指导,从而实现高性能的水系锌负极和锌离子电池。

 

图文导读


图1. 不同类型的SEI对锌金属沉积的作用示意图
 
图2. 双层SEI纳米结构和成分的表征
 

图3. 双层SEI的化学成分和机械稳定性表征

 
图4. 双层SEI的形成机理 
 
图5. 有/无双层SEI的锌沉积形貌表征 
 
图6.基于双层SEI的锌负极的电化学性能表现 

 

图7. 低N/P比率下的基于双层SEI的锌负极全电池的电化学性能表现 
 

研究总结


总之,作者设计出了一种坚固的双层SEI,它能同时实现均匀的Zn2+传输和机械稳定性,从而提高锌负极的利用率和库仑效率。这种锌表面双层SEI由富含结晶ZnCO3的外层和富含无定形 ZnS的内层组成。有序的外层可以提高反复镀锌/剥离过程中SEI的机械稳定性,而无定形的内层则可以均匀地传输Zn2+以实现均匀致密的锌沉积。与普通的单层SEI相比,结晶/非晶双层SEI更均匀、更坚固,可有效抑制SEI在循环过程中的断裂。因此,使用双层SEI进行镀锌/剥离可实现高达99.95%的库伦效率和98%的锌负极利用率。此外,基于双层SEI锌负极的三种不同类型的全电池在低N/P比的条件下都表现出更高的循环稳定性。


文献信息


Robust bilayer solid electrolyte interphase for Zn electrode with high utilization and efficiency

Yahan Meng, Mingming Wang, Jiazhi Wang, Xuehai Huang, Xiang Zhou, Muhammad Sajid, Zehui Xie, Ruihao Luo, Zhengxin Zhu, Zuodong Zhang, Nawab Ali Khan, Yu Wang, Zhenyu Li, Wei Chen

文章的第一作者是中国科学技术大学的博士研究生孟亚寒、博士研究生王明明、博士后王家志

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52611-z


团队介绍


通讯作者简介:陈维,中国科学技术大学应用化学系教授、博士生导师,合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位;2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位;2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作;2018-2019年在EEnotech公司担任科学家;2019年7月入职中国科学技术大学,专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来,作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Nature Communications, Joule, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials 等国际期刊发表学术论文80余篇,论文总被引14000余次,H因子58。研究成果获得美国专利5项,中国发明专利20余项。担任Materials Today Energy编委,eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances等杂志青年编委。

陈维课题组网页:http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

【团队招聘】

中国科大陈维课题组目前拟招收1-2位博士后和若干位工程师(学历不限)。请申请者将个人简历等材料发送给陈维老师(weichen1@ustc.edu.cn),邮件以“职位申请+姓名”命名。

  • DOI

    https://doi.org/10.1039/D4EE00881

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