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【研究背景】
與鋰、鈉和鉀等堿金屬相比，鋅金屬具有較低的價格、較高的地殼豐度、較高的水環(huán)境穩(wěn)定性以及較低的氧化還原電位(?0.76 V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極）和高比容量（5855 mAh-cm?3).所有這些優(yōu)點共同使得水性鋅離子電池（AZIB）被視為商業(yè)化最具吸引力的候選產(chǎn)品之一，相關(guān)研究也逐漸成為新能源領(lǐng)域的熱點。不幸的是，枝晶生長和副反應(yīng)這一棘手的問題將無法解決鍍鋅/剝鋅過程中嚴(yán)重?fù)p壞陽極-電解液界面過程中，導(dǎo)致不可控的鋅沉積，這都成為了阻礙水系鋅離子電池商業(yè)化的重大難題，如何解決這些問題成為了當(dāng)前研究的重中之重。
【文章簡介】
近日，來自深圳大學(xué)的張培新教授團隊，在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“A New Insight into Ultrastable Zn Metal Batteries Enabled by In Situ Built Multifunctional Metallic Interphase‘’的研究文章，提出了一種通過電解液添加在負(fù)極表面原位構(gòu)建一層金屬界面相的鋅負(fù)極改性方法，形成的銦金屬界面相不僅能夠抑制枝晶生長，誘導(dǎo)鋅均勻沉積，同時還能抑制副反應(yīng)的發(fā)生，從而達到保持鋅離子電池超穩(wěn)定循環(huán)的目，為鋅負(fù)極保護研究提供了新的思路。
圖1：原位構(gòu)建多功能金屬界面相的示意圖。
【本文要點】
要點一：原位構(gòu)建的銦金屬界面相增強鋅負(fù)極抗腐蝕和抑制枝晶功能的表征
通過簡單的電解液添加的方法原位構(gòu)建多功能金屬界面相。相比于鋅金屬，銦具有更高的還原電位（-0.338V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極），因此，在電池靜置過程中，銦離子能夠在溶液中與鋅金屬自發(fā)地進行置換反應(yīng)，從而在鋅金屬表面形成一層銦金屬鍍層。通過SEM、EDS、XRD、DFT計算等證明銦金屬界面相對副產(chǎn)物生成的抑制以及對調(diào)節(jié)Zn（002）面優(yōu)先沉積的作用，通過測量循環(huán)后電池厚度來證明界面相抑制析氫的作用。
圖2：原位構(gòu)建的銦金屬界面相對抗腐蝕性能的表征。
圖3：原位構(gòu)建多功能金屬界面相對副產(chǎn)物生成和枝晶生長的抑制作用的表征。
要點二：鋅沉積模式的原位/非原位觀察
通過原位光學(xué)顯微鏡在線監(jiān)測鋅負(fù)極在沉積過程中鋅的生長情況，可以發(fā)現(xiàn)在未改性的鋅箔表面，鋅沉積呈現(xiàn)一種無序的狀態(tài)，鋅傾向于在不均勻分布的成核位點上持續(xù)生長，最終形成枝晶，而改性后的鋅負(fù)極表面鋅沉積是均勻而平整的。通過非原位的SEM表征在微觀層面上也能觀察到類似的沉積模式。
圖4：鋅沉積過程的原位／非原位觀察。
要點三：鋅負(fù)極穩(wěn)定性和全電池電化學(xué)性能
圖5.對稱電池測試表征鋅負(fù)極穩(wěn)定性。
圖6.Zn-V2O5全電池電化學(xué)性能。
要點四：總結(jié)
本文通過簡單的電解液添加的方法原位構(gòu)建了多功能的銦金屬負(fù)極—電解液界面相，這種堅固的界面相表現(xiàn)出良好的環(huán)境穩(wěn)定性，通過隔離鋅負(fù)極和水系電解液，可以有效抑制析氫和腐蝕的副反應(yīng)。此外，由于鋅原子與In(002)平面之間存在較強的電子相互作用，Zn(002)與In(002)平面之間存在較低的失配，鋅沉積更傾向于沿著光滑的Zn（002）面生長。結(jié)果表明，通過電解液添加劑改性可以獲得超穩(wěn)定的鋅負(fù)極，并提高Zn-V2O5全電池的電化學(xué)性能。
【文章鏈接】
A New Insight into Ultrastable Zn Metal Batteries Enabled by In Situ Built Multifunctional Metallic Interphase
https://doi.org/10.1002/adfm.202109749.
【通訊作者簡介】
張培新，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院二級教授，先后主持國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃項目子課題、廣東省自然科學(xué)基金等40多項課題。獲省級科學(xué)技術(shù)獎二等獎4項、三等獎3項，獲國家發(fā)明專利授權(quán)16件，出版專著2部，發(fā)表論文320多篇，其中包括Chem.Soc.Rev.,Angew.Chem.Int.Ed.,Adv.Mater.,Adv.Energy Mater.,Adv.Funct.Mater.,Nano Energy等國際著名期刊。
