扬州大学，Adv. Sci.：多功能阴极和诱导型阳极双向提升水系锌-硒电池性能：基于碳球中碗锡基材料的各向异性取向定制- 大数跨境

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扬州大学，Adv. Sci.：多功能阴极和诱导型阳极双向提升水系锌-硒电池性能：基于碳球中碗锡基材料的各向异性取向定制

科学材料站

2024-06-06

导读：扬州大学陈铭/刁国旺教授，Advanced science：多功能阴极和诱导型阳极双向提升水系锌-硒电池性能：基于碳球中碗锡基材料的各向异性取向定制

文章信息

多功能阴极和诱导型阳极双向提升水系锌-硒电池：基于碳球中碗内锡基材料的各向异性取向定制

第一作者：吴孝余

通讯作者：陈铭* 刁国旺* Hui Yan* Yuanzhe Piao*

单位：扬州大学，美国路易斯安那大学拉法叶分校，韩国首尔大学，

研究背景

锌-硒电池的发展受到了诸多挑战，如硒阴极的动力学迟缓、负载有限和阳极锌枝晶形成。本研究中，制定了一种针对阴极和阳极的双向优化策略，以提升锌-硒电池的性能。合成了一种新型的球中碗结构碳（BIBCs）材料，以构建阴极和阳极。在阴极中，多功能宿主材料（SnSe@BIBCs）表现出对硒的高吸附能力，并展示了优异的空间限制特性和对硒还原反应（SeRR）的催化性能。在阳极方面，Sn@BIBCs显示出三重诱导特性，包括内在金属锡的亲锌性、三维空间结构的均匀电场以及碗状碳的曲率效应。这些因素共同作用，诱导锌的优先成核，确保其均匀沉积。锌-硒电池系统实现了高达603 mAh g⁻¹的比容量，展示了其在实际应用中的巨大潜力。

文章简介

近日，来自扬州大学的陈铭教授与刁国旺教授团队，联合美国路易斯安那大学拉法叶分校Hui Yan教授和韩国首尔大学Yuanzhe Piao教授，在国际知名期刊Advanced science上发表题为“Tailoring Versatile Cathodes and Induced Anodes for Zn-Se Batteries: Anisotropic Orientation of Tin-based Materials within Bowl-in-ball Carbon”的文章。该文章利用球中碗结构碳与内部衍生的锡基材料分别用于锌-硒电池的阴极和阳极，双向提升了锌-硒电池的容量和稳定性。

方案1. (a) BIBCs，(b) Sn@BIBCs，SnSe@BIBCs和Se-SnSe@BIBC的合成步骤。

本文要点

要点一：球中碗结构碳材料的设计

球内的碗状碳结构源自薄碳壁的内部坍塌，形成了具有大量特定表面积的结构，为后续反应提供了充足的反应位点。这个碗状结构有助于减轻反应的应力应变动力学，形成了腔室。腔室提供了一个适当的空间，用于引入和优化后续基于锡的材料的衍生。

图1 (a, e) SiO₂纳米球，(b, f) SiO₂@RF核壳纳米球，(c, g) 两层SiO₂@RF纳米球和(d, h) BIBCs的FESEM和TEM图像。(j) SnO2@BIBCs，(k, l) Sn@BIBCs的TEM图像。(m) Sn@BIBCs的HAADF-STEM图像和EDX映射图像。(n-q) SnSe@BIBCs和(r-u) Se-SnSe@BIBCs的TEM、HAADF-STEM和EDX映射图像

要点二：多功能的Zn-Se电池阴极材料

DFT计算揭示了SnSe与Se之间稳固的结合能，验证了SnSe的良好吸附性质。这种趋势促进了Se的更高负载量，从而增加了电池的容量。此外，SnSe表现出催化性能，有效降低了与反应相关的能量壁垒。这种催化活性有利于改善电子转移和电化学动力学。球中碗结构与SnSe的吸附共同防止了各种硒化物的溶解，因此显著提高了循环稳定性。

图2.(a) 0.5 mV s^-1 时的循环伏安曲线 (b) 0.1 A g^-1 时的初始 GCD 曲线 (c) Se-SnSe@BIBCs、Se-BIBCs 和 Se电极的倍率性能。(d) 三种电极在 0.1 A g^-1 下的循环性能。(e）Se-SnSe@BIBCs 在 2 A g^-1 下的循环性能。(f) Se-SnSe@BIBCs 在不同扫描速率下的 CV 曲线和 (g) 氧化还原峰时相应的 log i vs log v 图。(h) 三个电极的Nyquist图。

要点三：SeRR六电子转移过程的电化学反应机制

通过原位XRD、拉曼、紫外可见和非原位XPS测试，证实了锌和硒的氧化还原转化机制，这是一个六电子可逆的过程。值得注意的是，SnSe的催化能力和中空结构内的丰富位点在增强转化反应的可逆性方面起着关键作用。

(a-c) 石墨烯、SnS₂、SnSe₂、MoSe₂ 和 SnSe 的 Eb 与 Zn 原子电荷转移之间的线性关系。(d) ZnSe 迁移的扩散路径示意图 (e) 石墨烯和 SnSe 的能垒。(f) ZnSe/Se 转换反应的自由能图。(g) Se-SnSe@BIBCs 阴极在 0.2 A g^-1 条件下的静电充电/放电 (GCD) 曲线，以及 Zn-Se 电池的原位 (h) XRD 图谱(i) 拉曼光谱和 (j) 紫外可见光谱。Se 3d 的非原位（k-n）XPS 光谱

要点四：Sn@BIBCs阳极多重诱导锌的均匀沉积机理

Sn的亲锌性有助于减少成核过电势并促进锌的沉积。非对称碗状结构诱导了锌的优先沉积。分层的三维导电网络均匀化了空间电场，从而增强了锌的沉积。

(a)结合能 (Eb) 和 (b) 电荷密度差 (CDD)。(c) Zn、BIBCs-Zn 和 Sn@BIBCs-Zn的电压沉积曲线。(d) Sn@BIBCs 和 BIBCs 的 LSV 曲线。(e) CE 图。(f) 不同电流密度下的电压曲线，(g) 1 mA cm^-2，(h) 5 mA cm^-2 时的电压极化曲线。(i)循环前后的裸锌和Sn@BIBCs-Zn的XRD谱图。

文章链接

Tailoring Versatile Cathodes and Induced Anodes for Zn-Se Batteries: Anisotropic Orientation of Tin-based Materials within Bowl-in-ball Carbon Advanced Science, 2024, 2403224

https://doi.org/10.1002/advs.202403224

通讯作者简介

通讯联系人：陈铭教授

通讯联系人：陈铭教授，现任扬州大学化学化工学院教授，博士生导师，实验中心主任。主要从事二次电池材料的设计、储能机制分析与应用。获江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师称号，扬州大学高端人才支持计划“拔尖人才”计划。在ACS Nano，Energy Storage Materials，Adv. Funct. Mater.、J. Energy Chem., J. Mater. Chem. A，Small，Chem. Eng. J.等核心刊物发表论文150余篇，其中第一作者或通讯作者发表论文120余篇，H-Index 44。第一完成人获授权国家发明专利18项。

通讯联系人：刁国旺教授

通讯联系人：刁国旺教授，现任扬州大学教授，博士生导师，电化学方向学术带头人，从事电化学、超分子化学、材料化学和环境化学方面的研究工作。目前发表SCI论文200余篇，获授权国家发明专利40余项。获江苏省高等学校教学名师称号。新世纪人才工程”中青年学术带头人。研究成果发表在Nat Commun、Angew Chem. Int. Ed.、Adv Funct Mater、ACS Nano、Coord. Chem. Rev.等SCI收录国际学术期刊上累计200多篇，并获得50多项中国授权发明专利。曾任中国电化学专业委员会委员，教育部化学化工教学指导委员会化学基础委员会委员，扬州大学化学化工学院院长、党委书记。

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