『AFM』河南师范大学杨书廷教授&路战胜教授&曹朝霞副教授团队:通过多种功能添加剂实现可逆锌阳极的溶剂化壳和电极界面的同步调制

学术   2024-11-14 08:00   湖北  
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全文摘要
锌离子电池(ZIB)的商业应用必须解决由不需要的Zn枝晶和严重的界面副反应引起的Zn金属负极的劣质可逆性。河南师范大学杨书廷教授&路战胜教授&曹朝霞副教授团队提出了一种具有极性磺酸酯基团、路易斯碱性醛基团和疏水苯环的多种功能苯甲醛2,4-二磺酸钠(B24DADS)添加剂,以调节Zn2+的溶剂化结构,构建H2O贫和亲锌双电层结构,并在Zn负极表面产生钝化SEI,从而重新着色枝晶生长和界面副反应。此外,诱导沉积、加成衍生的SEI形成和织构调节的协同效应揭示了Zn的均匀沉积机制。此外,Na+还可以基于静电屏蔽机制限制锌枝晶的生长。因此,多功能B24DADS添加剂使阳极能够提供卓越的电化学性能。在临界测试条件下(20 mA cm-2/20 mAh cm-2),锌提供卓越的长循环(3700 h)和低极化电压(0.02 V)。含B24DADS电解质与二氧化锰阴极匹配良好。这项工作为探索具有独特分子结构的先进添加剂提供了一种有前途的方法,以解决锌枝晶生长和猖獗的副作用。


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图文速递






图1

Zn2+在a)ZnSO4和b)B24DADS/ZnSO4中的溶剂化结构和界面反应示意图。







图2

a,b)Zn//Zn电池的电压-时间曲线。c)在5 mA cm-2/1 mAh cm-2下有/无添加剂的情况下,50次循环后阳极的XRD图谱。d)相应的数字和SEM图像,e)在12 mm B24DADS/ZSO电解液和f)ZSO电解液中的横截面图像。g)有/无添加剂的ZSO电解质中Zn阳极的Tafel曲线。在扫描速率为1 mV s-1的情况下,研究了Zn/SS半电池在有/无添加剂时h)HER和i)OER的LSV曲线。







图3

a)Zn2+与B24DADS2-和H2O的结合能。b)原始Zn2+-6H2O(左)和B24DADS2--Zn2+-5H2O(右)溶剂化结构的 ESP 映射。c)添加/不添加12 mM B24DADS的ZSO电解质的拉曼光谱(v(SO42-)波段)。d)12 mM B24DADS/ZSO电解质和ZSO电解质的1H NMR谱。e,f,g)12 mm B24DADS/ZSO电解质和ZSO电解质的FTIR光谱。







图4

a)B24DADS2-平行放置的阴离子(Z-B24DADS2--(P))在不同Zn表面上。b)H2O分子和B24DADS2-阴离子的LUMO和HOMO能级。c)H2O、B24DADS2-阴离子平行放置(B24DADS2--(P))、B24DADS2-阴离子垂直放置(B24DADS2--(V))在Zn(101)表面的吸附模式。d)裸 Zn、B24DADS 粉末和浸泡Zn的B24DADS/水的FTIR光谱。e)B24DADS/水、Zn箔或浸泡在水中的Zn箔的XRD图谱。f)分别由12 mm B24DADS/ZSO电解质和ZSO电解质制备的循环Zn的S 2p的XPS深度剖面。采用g)12 mM B24DADS/ZSO和h)ZSO的Zn||Zn对称电池在不同循环次数下的EIS,图中g)为高频区放大后的观察结果。i)EDL结构示意图。







图5

a)ZSO电解液和b)12 mm B24DADS/ZSO电解液中镀锌过程的原位光学显微镜图像。有/无添加剂的对称电池循环50次后Zn阳极的c)SEM图和d,e)XRD图。f)在不同电解质中循环50次后,阳极XRD中I(002)/I(101)的强度比。g)含添加剂的ZSO电解质中Zn金属的CV曲线和h)CA。沉积机制:i)无添加剂和j,k)有添加剂。







图6

高度稳定和可逆的Zn沉积。a)Zn//Cu电池在5 mA cm-2/1 mAh cm-2下的CE。在选定循环中b)12 mm B24DADS/ZSO和c)ZSO电解质中循环的Zn//Cu电池的电压曲线。d,e)Zn//Zn电池在恶劣条件下的电流-电压曲线。f)循环与之前其他报告的比较(≥10 mA cm-2/10 mAh cm-2)。g)含/不含添加剂的ZSO电解质中Zn//MnO2电池的倍率能力。h)0.5 A g-1和i)1.0 A g-1时全电池的循环性能。


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研究结论
总之,一种有效且廉价的添加剂B24DADS已被引入硫酸锌电解质中。理论计算和实验分析证明,B24DADS可以通过同时调节Zn2+和电解质-Zn阳极界面的溶剂化结构来调节Zn均匀电镀/剥离和抑制界面副反应。因此,B24DADS添加剂的多功能效应使锌金属在高电流密度下具有优异的循环性能。B24DADS添加剂可以在临界测试条件(20 mA cm-2/20 mAh cm-2)下稳定阳极,同时具有3700 h的超长循环寿命和较低的电压极化(0.02 V),并且提高了Zn//MnO2电池的循环稳定性。


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原文链接

Simultaneous Modulation on Solvation Shell and Electrode Interface for Reversible Zinc Anode Realized by a Mutiplefunctional Additive

Zhaoxia Cao*,Xiaofeng Ma,Wenxuan Liu,Jiarou Wu,Yujie Jiao,Yanhong Yin,Zhansheng Lu*,Shuting Yang*
https://doi.org/10.1002/adfm.202414956


水系能源
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