杨泽副教授、余颖教授，Chem. Eng. J：构建“反阴离子耗尽层”减缓尖端沉积效应助力无枝晶的锌阳极- 大数跨境

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杨泽副教授、余颖教授，Chem. Eng. J：构建“反阴离子耗尽层”减缓尖端沉积效应助力无枝晶的锌阳极

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2024-07-17

导读：杨泽副教授、余颖教授，Chemical Engineering Journal：构建“反阴离子耗尽层”减缓尖端沉积效应助力无枝晶的锌阳极

【文章信息】

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文章信息

构建“反阴离子耗尽层”减缓尖端沉积效应助力无枝晶的锌阳极

第一作者：李小惠，邱丹

通讯作者：杨泽*，余颖*

单位：华中师范大学

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研究背景

水系锌离子电池由于水系电解质固有的安全性、成本效益和金属锌的电化学平台，成为解决有机电池安全性问题的一个有效的方案。然而，锌金属阳极有限的寿命严重阻碍了水系锌离子电池的发展，这主要归因于枝晶问题和相关的副反应。为了从根本上解决枝晶生长的问题并制定有效的策略，深入了解其潜在机制至关重要。根据空间电荷理论，阴离子和阳离子在外加电场的驱动下向相反的方向迁移，导致阴离子和阳离子在阳极附近形成浓度梯度差。在电场的持续作用下，阳极表面的阳离子浓度可以从阴极得到补充，而阴离子会不断被耗尽，产生一个强大的空间电场。这放大了阳离子的尖端沉积效应，触发了枝晶的生长。因此，将阴离子锚定在阳极表面可以有效地阻止强空间电荷场的产生，从而抑制枝晶的产生。

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文章简介

近日，来自华中师范大学的杨泽副教授与余颖教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Construction of an anti-anionic-depletion layer to mitigate the tip deposition effect for dendrite-free zinc anode”的研究文章。该文章提出了一种在锌阳极表面构建“反阴离子耗尽层”的策略，将阴离子锚定在阳极表面来减缓空间电场的不利影响，从而抑制枝晶的生长。通过理论计算和实验验证，层状双氢氧化物(LDHs)材料可以有效固定阴离子，成功构建了“反阴离子耗尽”的保护层。此外，原位工程优化的LDHs纳米片可以进一步调节Zn²⁺的沉积通量。得益于这些改进策略，原位生长的ZnAl-LDH修饰电极(Zn@ZnAl)表现出优异的稳定性(在40 mA cm^-2的电流密度下稳定循环5500次)，并且Zn-Mn全电池和锌离子电容器的性能测试中显示出独特的优势。该研究为提高锌阳极稳定性提供了一种经济而直接的策略，在未来具有大规模应用的潜力。

图1. “反阴离子耗尽层”策略示意图。

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本文要点

要点一：利用LDHs材料对阴离子的限域效应构建“反阴离子耗尽层”

LDHs较大的层间距能够捕获大量的阴离子，成为优良的天然阴离子吸附剂。四种典型的LDHs材料(ZnAl-LDH、MgAl-LDH、ZnCr-LDH和CoFe-LDH)被用来构建“反阴离子耗尽层”。对称电池的性能与LDHs涂层对阴离子的吸附能力密切相关。ZnAl-LDH对SO₄^2-阴离子优异的固定能力有效地提高了循环稳定性。

图2. 固定阴离子提高循环性能。

要点二：反阴离子耗尽层的成功构建

利用原位拉曼光谱对电镀过程中ZnAl-LDH修饰的Zn阳极表面SO₄^2-阴离子浓度进行监测，发现ZnAl-LDH修饰后电极表面阴离子的浓度波动较小，有效地将SO₄^2-固定在阳极表面，证明了“反阴离子耗尽层”的成功构建。此外，有限元模拟证实固定阴离子还可以调节阳离子流。

图3. 验证反阴离子耗尽层的成功构建。

要点三：优化“反阴离子耗尽层”

利用原位工程调节“反阴离子耗尽层”ZnAl-LDH纳米片的微观结构。取向一致的纳米片缩短了阳离子的扩散路径，均匀阳离子流，有利于阳离子快速均匀的沉积。同时有效避免了涂层的脱落，实现了在大电流密度下的稳定循环。

图4. 原位工程优化“反阴离子耗尽层”。

要点四：全电池性能

组装Zn-Mn全电池验证该策略的实用性。在N/P=5的全电池性能测试中，优化后的Zn@ZnAl||KMO电池倍率性能和循环性能均优于其他对照组。为了进一步证明Zn@ZnAl阳极的稳定性，组装了锌离子电容器，在循环10000圈后容量保持率高达90%。因此，消除阴离子耗尽和均匀的Zn²⁺通量对锌阳极的保护是有效的，对提高水系锌基储能装置的性能具有重要意义。

图5. 全电池性能。

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文章链接

Construction of an anti-anionic-depletion layer to mitigate the tip deposition effect for dendrite-free zinc anode

https://authors.elsevier.com/sd/article/S13858947(24)05344-0

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通讯作者简介

杨泽副教授简介：华中师范大学物理科学与技术学院副教授、硕导。2014年获得华中科技大学博士学位。随后在美国休斯敦大学物理系从事博士后研究工作。2019年来到华中师范大学物理科学与技术学院纳米科技研究院从事教学和科研工作。已主持和参与多项国家自然科学基金。正从事能源存储（锂/钠/锌离子电池）方面的研究。发表SCI论文30余篇，被引2000余次，其中ESI高被引论文2篇。

余颖教授简介：华中师范大学物理科学与技术学院教授、博导，国际刊物Materials Today Physics副主编。2000年在南开大学获得理学博士学位之后来到华中师范大学从事教学和科研工作，期间于2003年11月~2007年5月分别到香港中文大学、美国普林斯顿大学、美国波士顿学院从事了博士后和访问工作研究。目前正在从事纳米结构材料的制备及其在能源存储与转换和环境等领域应用的研究工作，已在Nat. Common.、Energy Environ. Sci.、JACS、Angew. Chem. In. Ed.、Nano Lett.、Adv. Energy Matter.等上共发表SCI论文近160篇，被他人引用超过9000次，单篇最高引用700多次，论文H指数为54，并获得了12项国家发明专利的授权。入选科睿唯安2022年度“高被引科学家”名单，并于2020年荣获“湖北省百名优秀女性科技创新人才”称号，2023、2013和2009年作为第一完成人分别获得湖北省自然科学一等奖、二等奖和三等奖。