来源:Nature Communications 发布时间:2022/6/30 14:28:58
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港城大支春义团队锌电池寿命取得突破性进展

北京时间2022年6月27日, Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119 )创刊主编、香港城市大学材料科学与工程系支春义教授团队在锌电池寿命方向取得突破性进展。课题组发现锌的沉积溶解形貌和初次的沉积/溶解行为有较强的相关性,由此提出的预沉积策略可以有效的稳定锌负极提高锌基电池的寿命。该成果发表在国际顶尖学术期刊Nature Communications上,题为“Tailoring the metal electrode morphology via electrochemical protocol optimization for long-lasting aqueous zinc batteries”,支春义教授为该论文唯一通讯作者。

锌金属负极已被公认为是理想锌基电池的负极,它具有 812 mAh·g–1 的高理论容量和–0.76 V 的竞争电化学电位。 然而,锌负极的枝晶问题限制了阳极的寿命。研究者们从电极设计,界面改性,电解液改性等方面提出了许多改性策略来抑制锌枝晶的生长,提高锌负极的稳定性。这些策略的研究重心都是对锌的沉积行为,然而锌基电池如锌二氧化锰电池在初始状态都是充电状态,因此对锌负极而已,溶解是初始步骤而不是沉积。对于锌负极而言,初始步骤的沉积和溶解也不能完全等同。因此对锌负极的溶解行为的研究对实际应用的锌负极而言非常重要。

近日,香港城市大学的支春义教授团队对于初始沉积和初始溶解的锌负极进行了分别研究,发现两种电极具有不同的电化学行为,以及不同的形貌演化。对于初始溶解的锌负极而言,锌枝晶生长与初始形成的凹陷之中,同时不均匀性随着循环逐渐增加。而对于初始沉积的锌负极而言,锌的后续沉积溶解较为均匀。基于这一发现,作者进一步研究了初始沉积的条件,发现大电流下形成的初始沉积层更为均匀且致密,因此开发出的预沉积策略,通过该策略改性的锌负极在对称电池和锌二氧化锰电池中均表现出更好的循环寿命。

图1:沉积和溶解行为的不同点示意图。

图2:原位观察初始溶解的锌负极的形貌和电压变化,在数圈后锌负极表面有较多枝晶形成。

图3:原位观察初始沉积的锌负极的形貌和电压变化,在数圈后锌负极表面较为均匀。

图4:初始沉积和溶解的锌电极的形貌演变,初始沉积的锌电极表面更加均匀。

图5:预沉积锌负极的制备条件筛选,在对称电池中表现出更长的循环寿命以及低的过电势。

图6:预沉积锌负极在全电池中也表现出更好的循环稳定性和抗枝晶性能。

相关论文信息:

Qing Li; Ao Chen; Donghong Wang;Yuwei Zhao; Xiaoqi Wang;Xu Jin;Bo Xiong; Chunyi Zhi. Tailoring the metal electrode morphology via electrochemical protocol optimization for long-lasting aqueous zinc batteries. Nature Communications, 2022, 13, 3699. https://doi.org/10.1038/s41467-022-31461-7.

作为Nano Research姊妹刊,Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; 官方网站: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月由清华大学创办,香港城市大学支春义教授和清华大学曲良体教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊,聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。2023年之前免收APC费用,欢迎各位老师踊跃投稿。投稿请联系:NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn.

 
 
 
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