【工作要点】
一、研究人员根据电流密度、面容量和DOD绘制了软包电池中锌阳极失效机制的图。这张图谱有三个区域：极化、过渡和短路。锌阳极的失效模式主要取决于DOD，与锂金属阳极的失效模式完全不同在极化区，当深度循环时，由于沉积的多孔锌消耗迅速，副产物和死锌增厚，导致极化区极化增加，循环寿命短。在低DOD的浅循环条件下，枝晶引起的短路区在Zn金属阳极的失效图中占主导地位。在DOD的中间值处，两者之间存在一个过渡区域。
二、基于这些失效机制，研究人员认为提高Zn沉积的致密性可以抑制低DOD下枝晶的生长，降低高DOD下Zn的损失率。因此，通过自组装策略，在Zn阳极上构建了由外部Zn离子“捕集器”(-SO3-基团)和内部锚定位点(巯基)组成的分子界面(MI)。这样的界面能够帮助Zn离子快速完成成核，从而触发Zn的紧凑外延生长。
图1 锌电池的结构示意图及其典型失效模式(A和B) (A)扣式电池和(B)软包电池的结构。(C-E)典型的(C)电压-时间曲线，(D) EIS谱，(E)短路失效锌软包电池示意图。(F-H)典型的(F)电压-时间曲线，(G) EIS图谱，(H)极化失效锌软包电池示意图。
图2、失效锌软包电池的事后分析(A-D) CT和相应的(A)和(C)短路电池和(B和D)极化失效电池的三维重建图像。(E-J)拆解的(E, G, I)短路电池和(F, H, J)极化失效电池的光学照片和扫描电镜图像。(K)失效电池循环锌电极的XRD图谱。
图3、锌软包电池的工作模式和失效机理(A)不同电流、容量和DODs下的失效机理图。(B和C) (B)不同DODs和(C)不同电流密度下电池循环寿命的比较。误差条表示相同条件下重复单元格之间的差异。(D)第一次剥离/镀锌阳极在不同DODs下的光学照片和SEM图像。(E)不同电流密度下锌阳极第一次剥离/镀后的光学照片和SEM图像。(F)不同场景下锌的沉积/剥离行为示意图。
图4、(A)裸Zn和(B) MI-on-Zn上Zn离子成核和生长行为的MI (A)和MI (B)图的设计和表征。(C)裸锌、MPS粉末和MI-on-Zn的XPS图谱。(D) MI-on-Zn的S 2p和Zn 2p的深度剖面XPS谱。(E和F) (E)裸Zn和(F) MI-on-Zn的AFM图像。
图5、锌阳极(A和B)的成核和生长特性测试的(A) CA曲线和(B)实验无量纲曲线与理论成核模型的比较。(C) 1mA cm-2下恒流Zn沉积的电压分布图。(D和E) (D)裸Zn和(E) MI-on-Zn在1mA cm-2下成核和生长的SEM图像。(F) Zn在MI-on-Zn上z轴方向的反极图和反极图。(G和H) (G)裸Zn和(H) MI-on-Zn的成核和早期生长的原位电化学AFM图像。
图6、锌软包电池中MI-on-Zn的验证(a)锌软包电池的光学照片。(B-G) (B)、(D)、(F)裸锌和(C)、(E)、(G)锌沉积后MI-on-Zn的光学照片和SEM图像。(H-J) (H)裸锌和(I)锌沉积后MI-on-Zn的AFM图像和(J)相应的高差比较。(K和L)低(K)和高(L) DOD时Zn||Zn软包电池的循环性能。(M)第1 ~ 30周期Zn软包电池的原位EIS。(N)循环锌软包电池的三维重建CT图像。(o)近期报道的Zn||Zn电池的循环性能与研究人员的比较。
图7、Zn||I2软包电池中MI-on-Zn的验证(a)组装单层Zn||I2软包电池组件的光学照片。(B-D) (B)单层Zn||I2软包电池在恶劣条件下的长期循环性能，(C、D)不同循环下对应的电压分布图。(E)多层Zn||I2软包电池的结构示意图。(F)多层Zn||I2软包电池的长期循环性能。(G)最近展示的锌离子软包电池的电化学性能与研究人员的工作的比较。
【结论】
在本文中，研究人员提出了一个电化学图来描述在一定电流、容量和DOD范围内，大尺寸软包电池中锌阳极的电化学行为和失效机制。DOD被认为是软包电池失效模式和多孔锌沉积的主要决定因素之一这种行为加速了低DOD下的短路失效和高DOD下的极化失效。为了提高大锌阳极的可逆性，在锌阳极上构建了分子桥接界面，加速了锌的成核动力学，引发了锌的外延生长和致密沉积。改进的整体可逆性使300 mAh单层Zn||I2软包电池能够在可控的N/P电极比(1.8:1)和高阴极容量(6.5 mAh cm-2)和具有竞争力的实用能量密度下实现800次循环的稳定循环寿命。本研究为软包电池中锌金属负极提供了一个清晰的工作场景和修改范例，为未来锌电池的研究和应用提供了指导。
DOI: 10.1016/j.joule.2024.07.013
转载自：科学电池网
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