SmartMat|综述：具有良好锌沉积行为的稳定锌阳极材料和结构设计
学术
科技
2024-11-01 11:37
天津
Qinghe Cao, Yong Gao, Jie Pu, Abdelnaby M. Elshahawy, Cao Guan. Materials and structural design for preferable Zn deposition behavior toward stable Zn anodes. SmartMat. 2024; 5:e1194.
https://doi.org/10.1002/smm2.1194
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由于锌金属阳极的高容量和水电解质的安全性，可充电锌离子电池具有良好的安全性、低成本和高能量密度等优点，在后锂离子时代具有广阔的应用前景。然而，由于锌阳极上Zn/Zn2+的可逆性较差，其商业化应用仍面临库仑效率低和循环性能不理想的问题。为了提高Zn阳极的稳定性，优化Zn沉积行为是提高后续条带化效率和限制枝晶生长的有效途径。锌沉积是一个受控的动力学-扩散结合过程，受Zn2+离子与Zn阳极的相互作用、离子浓度梯度和电流分布等多种因素的影响。本文首先从电化学的角度综述了影响锌沉积行为的因素，并对改性原理进行了总结。总结了界面修饰和三维结构设计的策略及其机理。最后，对ZIBs存在的挑战、未来发展方向和实际应用前景进行了展望。
图 1. 锌沉积行为的类别、挑战和优化策略示意图。图 2. 控制锌沉积行为的挑战和原则示意图。(A)抑制副反应，(B)使Zn成核均匀化，(C)控制晶体取向，(D)降低局部电流密度，(E)控制Zn2+流量，和(F)实现Zn沉积选择性。
图 3.(A)钝化层减缓锌电沉积并保护电极免受电解液腐蚀的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH. (B)PDMS/TiO2界面涂层及保护机理示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH. (C)不同基团吸附在PZIL上的Zn结合能的DFT，以及裸Zn和PZIL-Zn上的Zn涂层行为示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, American Chemical Society. (D)锶层的作用示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, American Chemical Society. (E)E-nHAP @ Zn和裸Zn表面Zn沉积过程的机理比较。Reproduced with permission: Copyright 2022, American Chemical Society.
图 4. (A)锌金属的化学腐蚀和铜锌合金的保护效果示意图。(B)Cu/Zn电极在3 mol/L ZnSO4电解质中的线性极化曲线，表明与裸露的Zn电极相比，Cu/Zn电极的腐蚀受到抑制。Reproduced with permission: Copyright 2020, Elsevier. (C)裸Zn负极和Zn@In负极上Zn沉积形态演变示意图。Zn沉积后(D)裸Zn和(E) Zn@In的横截面SEM图像。Reproduced with permission: Copyright 2022, The Royal Society of Chemistry. (F)锌锡合金的制备。Reproduced with permission: Copyright 2021, Wiley-VCH. (G)纯锌电极挑战和ZnIn-PAM电极保护机制的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Elsevier.图 5. (A)通过胶凝制备有机/无机杂化纤维，后处理简便，随后用于能量转换的纤维TE发生器的组装。Copyright 2021, Elsevier.(B) 动态交联纺丝原理图。放大示意图显示了聚合过程的拉伸力。Copyright 2017, Elsevier.(C)用DIS方法制备变形水凝胶微纤维。结状水凝胶超纤维形成示意图。Copyright 2022, Elsevier.(D)多轴组合仿生纤维仿生微沟槽的形成及微沟槽助水输送。Copyright 2022, Elsevier.
图 6. (A)锌/锡电极修饰过程的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2021, Wiley-VCH. (B)计算Zn2+在Zn (101)和Cu-Zn合金(111)上的结合能。Reproduced with permission: Copyright 2021,Wiley-VCH. (C)氧/氮掺杂石墨烯的建模。Reproduced with permission: Copyright 2022, American Chemical Society. (D)MXene涂层锌的镀锌行为示意图。Reproduced with permission: Copyright 2020, Wiley-VCH. (E)循环期间ZnF2-Ag@Zn上Zn沉积的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, American Chemical Society. (F)不同温度循环后锌电极的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, American Chemical Society.图 7. (A)图解说明外延金属电沉积的设计原理。Reproduced with permission: Copyright 2019, American Association for the Advancement of Science. (B)锌枝晶生长和MXene晶体结构的示意图，在MXene上有匹配的锌沉积。Reproduced with permission: Copyright 2021, American Chemical Society. (C)铜(100)上锌UPD和OPD层的结晶取向示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, American Chemical Society. (D)基于垂直晶面匹配的无枝晶锌沉积示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH.图 8. (A)通过机械压延制备锌箔的示意图。(B)反复冷轧过程中的晶面演变过程示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, American Chemical Society.(C)半匹配基底和(D)完全匹配基底上的镀锌顺序。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH.
图 9.(A)裸锌箔(上)和NGO@Zn电极(下)上镀锌的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2021, Wiley-VCH. (B)FCOF @Zn和裸锌表面沉积过程的机理比较。Reproduced with permission. Copyright 2021, Springer Nature. (C)显示ZnTe@ Zn电极的Zn沉积行为的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH. (D)裸锌和Cu-Zn@Zn上锌沉积的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH.
图 10. (A)显示在非水有机TFA-AN酸中制造3D多孔锌箔的示意图。(B)在4.0 mA/cm2的电流密度和2.0 mA h/cm2的容量下，第一次电镀时TFA-AN @ Zn和纯Zn的电压曲线。(C)TFA-AN @ Zn和原始Zn的长期电镀/剥离性能(插图是它们的放大电压曲线)。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH. (D)DCP-Zn重复脱锌/电镀行为示意图。Reproduced with permission: Copyright 2020, Elsevier. (E)3D-Zn @ ZnSe阳极制备示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH. (F)P-Zn上镀锌/剥锌行为的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Elsevier.图 11. (A)合成三维多孔夹层结构In@Zn@In电极示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Elsevier. (B)钛箔和TZNC主体上锌沉积的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2021, Wiley-VCH. (C)图解说明ICZ阳极的制备。Reproduced with permission: Copyright 2022, Elsevier.(D)CuZIF-L @ TM基质和TM基质上Zn沉积的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH. (E)CC和CNT电极上Zn沉积的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2019, Wiley-VCH.
图 12. (A)wood@Ni@Zn表面Zn沉积示意图。(B) wood@Ni@Zn在2 mA/cm2和2 mA·h/cm2下循环50次前后的AFM图像。Reproduced with permission: Copyright 2022, Elsevier.1 (C)快速锌离子扩散合金层3D金属网示意图。(D) 3D-ZGC主机在不同状态下的镀锌示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH.图 13. (A)锌@ZSO阳极上电场分布的图表、扫描电镜和模拟电场。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH. (B) Zn@ZnF2电极制作示意图。(C) 10 mA/cm2和1 mA·h/cm2下Zn|| Zn和Zn@ZnF2||Zn@ZnF2对称电池的时间电压曲线。Reproduced with permission: Copyright 2021, Wiley-VCH. (D) ZnOHF NWs@Zn表面镀锌行为示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Elsevier. (E) Zn@ZnP-NC阳极上Zn沉积行为的示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH. (F)水溶液中Zn@ZnO HPA阳极上Zn离子沉积行为示意图。Reproduced with permission: Copyright 2020, Wiley-VCH.图 14.(A)锌微网的制备过程和沉积行为示意图。Reproduced with permission: Copyright 2021, Wiley-VCH. (B)激光光刻图案化锌箔（LLP@ZF）的自顶向下制造过程及其成核过程示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Elsevier. (C) Sn@Zn-IP的制造过程和沉积行为示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH.
图 15. (A) Zn粒子在SDF上由Cu层向Ni层定向沉积，最终沉积到NiO层。(B) 5℃下使用SDF和Zn箔阳极的纽扣式Zn//MnO2电池的循环性能比较。(C)机械轧制法制备三梯度电极示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH. (D)与绝缘Al2O3屏蔽层相关的Al/Al2O3层间图案有利于Zn的均匀沉积。Reproduced with permission: Copyright 2020, Springer Nature.图 16. (A)Zn/CC电极和Zn/CNT电极形成Zn核后的电场分布模型。Reproduced with permission: Copyright 2019, Wiley-VCH. (B)锌微孔电极（左）和锌膜电极（中）沉积过程中锌离子的电解质浓度与等浓度线，以及沿法向X方向的截面1D浓度分布图（右）。Reproduced with permission: Copyright 2021, Wiley-VCH. (C) 3DGT（左）和3DGP（右）的多物理场模型预测的电流密度分布。(D)纯锌箔（左）和AgNWA（右）的电场分布的3D模型。(E)纯锌箔（左）和AgNWA（右）锌原子沉积分布的三维模型。(F)数值模拟Zn‐TCPP/Zn电极内Zn2+浓度分布（左）和模拟Zn-TCPP/Zn和裸Zn在2mol /L ZnSO4电解质中的电位和电流分布（右）。Reproduced with permission: Copyright 2022, Elsevier. (G)三梯度电极内离子和电子传输路径的模拟示意图。Reproduced with permission: Copyright 2022, Wiley-VCH.
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作者简介
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蒲洁正在西北工业大学柔性电子研究院攻读博士学位。她于2017年获得长安大学矿物加工工程学士学位，并于2020年获得西北工业大学材料科学硕士学位。她的研究重点是柔性纤维状水系储能器件。
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官操是西北工业大学柔性电子前沿科学中心的教授和副主任。他于2009年获得中国武汉大学物理学院的理学学士学位，并于2013年在新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院获得博士学位。2014-2018年在新加坡国立大学材料科学与工程系担任研究员。他的研究重点是为灵活的能量存储和转换设计纳米结构材料。
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