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文 章 信 息
快离子传输网络增强型三维锌负极改善锌离子电池性能
第一作者:李琪
通讯作者:闫春泽,方淳
单位:华中科技大学
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研 究 背 景
使用锌金属负极是满足高能量密度可充电锌离子电池使用需求的最具吸引力的途径。对于可靠和稳定的锌离子电池,理解锌金属负极的化学反应活性、离子阻塞和机械不稳定界面/界面相相关的问题尤为重要。众所周知,增加电极的表面积可以产生更均匀的离子/电子场,促进均匀的离子沉积。然而,更大的表面积往往会加剧腐蚀问题,并且电极的几何结构对离子扩散-成核-生长模式的影响尚不清楚。
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文 章 亮 点
探索了三维结构设计对离子扩散-成核行为的影响,从而实现致密均匀的沉积形貌。
3D锌粉负极内的Zn(OTF)2-PEO水凝胶组分构建了3D离子传输网络,实现了负极内的快速离子传输。
通过构建三维连续富F的SEI层,减轻了比表面积增大导致的腐蚀问题,进一步提高了3D Zn-M负极的电化学性能。
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文 章 简 介
近日,来自华中科技大学的闫春泽教授与方淳副教授合作,在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Fast ion transport network enhanced 3D Zn anode for ultra-stable zinc ion batteries”的文章,提出了一种通过三维结构设计和成分改性来稳定锌负极的改性策略。
作者通过3D打印技术制备了具有快速离子输运网络的3D Zn负极来调节Zn离子的沉积模式。3D结构设计有助于探索几何约束对离子扩散-成核行为的影响,验证成核理论的边界条件,从而实现致密均匀的沉积形貌。在三维锌粉电极内的Zn(OTF)2-PEO水凝胶组分构建了三维离子传输网络。水凝胶网络通过降低表面能来优化成核过程,从而解决由于表面积增加而引起的腐蚀问题。
图1 3D打印锌基负极示意图
Fig.1. Schematic illustrations of 3D printed Zn based anodes.
图2 (a)锌负极的表面自由能。(b) Zn2+电沉积过程的时间-电压曲线。(c)电位为-150 mV时Zn-M和Zn-P负极的i-t曲线(vs. Zn/ Zn2+)。(d)离子传导模式示意图。(e) (e1) 2D和(e2) 3D离子扩散过程示意图。(f)二维锌负极和锌电沉积(f1)前(f2)后、三维锌负极和锌电沉积(f3)前(f4)后的电极形貌及对应的锌离子浓度。(g)二维锌负极和锌电沉积(g1)前(g2)后、三维锌负极和锌电沉积(g3)前(g4)后的电极形貌和空间电位。
Fig. 2. (a) Surface free energies of Zn anodes. (b) time-voltage curve during electro-deposition of Zn2+. (c) i-t curves of Zn-M and Zn-P anodes with a potential of -150 mV (vs. Zn/ Zn2+). (d) Schematic diagram of ion conduction mode. (e) Schematic illustrations of (e1) 2D and (e2) 3D ion diffusion process. (f) electrode morphology and the corresponding zinc ion concentration of 2D Zn anode (f1) before and (f2) after Zn electrodeposition, 3D anode (f3) before and (f4) after Zn electrodeposition. (g) electrode morphology and the space potential of 2D Zn anode (g1) before and (g2) after Zn electrodeposition, 3D anode (g3) before and (g4) after Zn electrodeposition.
3D Zn-M负极具有较大的比表面积、通畅的离子通路和较低的表面能,降低了形核屏障,能够允许更多活跃的成核位点形成。离子只需要迁移很短的距离就可以接近成核位置,形成禁区并迅速相互靠近、重叠(即3D扩散模式(图2e2))。相反,当电极表面的成核位点很少时,电极表面的Zn离子需要进行长距离的横向扩散并沉积在突出的活性位点上。位点的集中分布会引起电场的不均匀,导致电荷的积累,在尖端效应的影响下形成枝晶(即二维扩散模式)。从i-t曲线(图2c)可以看出,3D Zn-M电极和3D Zn-P电极的二维扩散过程分别发生在29s和98s内。3D Zn-M电极经过短时间的二维扩散后,电流密度变得相对稳定,表明吸附在3D Zn- M表面的 Zn2+离子局部还原为Zn,横向迁移受限。扩散模式转变为三维扩散,离子沉积更加均匀。
COMSOL模拟进一步验证了离子沉积后的表面形貌(图2f-g)。在二维Zn-P负极中,界面层 Zn2+浓度急剧下降,导致电极-电解质界面处离子耗尽(图2f2)。离子浓度的不均匀导致浓度极化加剧,加剧了电位(图2g2)和电流分布的不均匀,最终导致枝晶的形成。相反,得益于三维结构,界面被电解质充分渗透,离子供应充足(图2f3)。此外,三维结构也提供了充足的成核位点。三维结构中的表面电场分布更小、更均匀,形成了无枝晶的Zn负极。
图3 (a)扫描速率为1 mV s-1的三电极系统在ZnSO4电解液中测量Zn负极的Tafel图;(b) ZnSO4电解质中Zn负极的析氢极化曲线。(c)基于Zn//Cu电池和对Zn沉积过程的全面理解的可逆镀锌/剥离行为,(d-f)不同循环下对应的电压分布图;
Fig. 3. (a) The Tafel plots of Zn anodes measured in the ZnSO4 electrolytes using three-electrode system at a scan rate of 1 mV s-1; (b) Hydrogen evolution polarization curves for Zn anodes in the ZnSO4 electrolytes. (c) Reversible Zn plating/stripping behaviors based on Zn//Cu cells and comprehensive understanding for the process of Zn deposition, and (d-f) corresponding voltage profiles at various cycles;
Tafel极化曲线,LSV测试等证明了Zn的腐蚀抑制作用。三维结构表面积的增加使反应活性增加,导致三维Zn-P、三维Zn-M电极的腐蚀电流增大。Zn(OTF)2-PEO的加入有效地降低了腐蚀电流。
图4 (a-b)基于Zn//Zn的可逆镀锌/剥离行为。(c-f) (c) 3D Zn-M, (d) 2D Zn-P, (e) 2D Zn-M, (f) 1 mA cm-2电流密度100h下3D Zn-P负极沉积的SEM图。(g)沉积/剥离100h后Zn负极的XRD图谱。(h)对称电池的长期循环性能与最近出版的论文中报道的性能比较。
Fig. 4. (a-b) Reversible Zn plating/stripping behaviors based on Zn//Zn. (c-f) SEM images of (c) 3D Zn-M, (d) 2D Zn-P, (e) 2D Zn-M, (f) 3D Zn-P anodes deposits at current density of 1 mA cm-2 of 100h. (g) XRD patterns of Zn anode after 100h plating/stripping. (h) Comparison of long-term cycling performance of symmetrical batteries with the performance reported in recent publications.
为了评估3D Zn-M负极的实际应用潜力,以NH4V4O10 (NVO)为正极,2M ZnSO4为电解液组装了全电池。如图5a-c所示,采用3D Zn-M负极的全电池具有更高的放电容量和更小的极化。NVO//2D Zn-P电池在循环100次后容量衰减明显,在电流密度为2 A g-1的情况下,循环1000次后容量为34.45 mAh g-1。相比之下,NVO//3D Zn-M电池表现出更好的循环稳定性,在2 A g-1下稳定运行1000次,容量保持在96.67 mAh g-1。
图5 Zn-NH4V4O10电池性能。(a) 2 A g-1电流密度下的循环稳定性。(b)不同循环时间的GCD曲线和 (c) 0.1、0.2、1、2和5 A g-1不同电流密度下的倍率容量。(d) 1000次循环后Zn负极的XRD图。(e)循环后电池的DRT图。(f-i)激光扫描共聚焦显微镜循环(f) 2D Zn-P, (g) 2D Zn-M, (h) 3D Zn-P, (i) 3D Zn-M负极和(j-p)相应的粗糙度曲线。
Fig. 5. Performance comparison of Zn-NH4V4O10 cells. (a) cycling stabilities comparison under a current density of 2 A g-1. (b) GCD curves of different cycling time and (c) Rate capacities under different current densities of 0.1, 0.2, 1, 2 and 5 A g-1. (d) Ex-situ XRD patterns of Zn anode after 1000 cycles. e) DRT plots of cycled anodes. (f-i) Laser scanning confocal microscope images of cycled (f) 2D Zn-P, (g) 2D Zn-M, (h) 3D Zn-P, (i) 3D Zn-M anodes and (j-p) corresponding roughness curve.
图6(a-b)循环1000次后锌负极的XPS光谱。(c) ZnF2和硫氧化物在SEI膜中的TOF-SIMS深度分布图。(d) TOF-SIMS中氟化物和硫氧化物的三维视图。
Fig. 6. (a-b) XPS spectra of Zn anodes after 1000 cycles. (c) the TOF-SIMS depth profiles for ZnF2 and sulfur oxide in SEI film. (d) The 3D views of fluoride and sulfur oxide in the TOF-SIMS sputtered volumes.
X射线光电子能谱(XPS)检测了SEI层的组成。除了限制界面水的活性外,Zn(OTF)2-PEO水凝胶还通过形成富氟的SEI层增强了3D Zn负极的耐腐蚀性,使其成为高稳定性3D Zn负极的有力保障。
综上,作者利用3D打印技术制备了具有离子输运网络的三维锌粉负极,研究了电极几何设计对离子扩散、成核和生长的影响。电极中的Zn(OTF)2-PEO水凝胶组分构建了内部离子传输路径,同时解决了由于表面积增加而导致的腐蚀加剧问题。通过限制界面水的活度,构建三维连续富氟SEI层,进一步提高了三维Zn负极的耐蚀性。得益于改进的离子导电模式和出色的耐腐蚀性,打印的3D Zn-M负极在电流密度/容量为1 mAcm-2/1 mAh cm-2时的循环寿命超过900小时。3D Zn负极中的离子传输网络加深了对 Zn2+离子沉积的理解,有助于为下一代锌离子电池的实际应用铺平道路。
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文 章 链 接
Fast ion transport network enhanced 3D Zn anode for ultra-stable zinc ion batteries
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159895
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通 讯 作 者 简 介
闫春泽:华中科技大学二级教授、博导,教育部长江学者特聘教授、湖北省百人计划特聘教授,现担任材料成形与模具技术全国重点实验室主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任、湖北省增材制造技术国际科技合作基地主任等职务;以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Acta. Mater.、Adv. Sci.、Nano Today、ACS Appl. Mater. Inter.等期刊发表SCI收录论文70余篇,SCI他引6000余次;授权发明专利74项,包括第一发明人获美日欧德俄国际发明专利14项;第一作者出版专著、教材8部,包括Elsevier英文专著2部;牵头/参与制定国家标准4项。相关成果获国家技术发明二等奖(排2)、国家科技进步二等奖(排3)。
方淳:华中科技大学材料学院副教授、硕士生导师,长期从事钠离子电池关键材料及器件研究,在水系钠离子电池产业化方面有丰富的经验,主持和参与完成多项国家级科研项目,在 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy. Mater., Nano Energy等国际著名学术期刊上发表学术论文30余篇。目前正在从事新型功能电解液、全固态电池、锂离子电池三元材料等新能源学科热门领域的研究。
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