沈阳工业王鹏飞、史发年教授和沈阳化工宫哲CEJ：将锌粉织成网，用作锌电池阳极

第一作者：沙霖

通讯作者：王鹏飞*，宫哲*，史发年*

单位：沈阳工业大学，沈阳化工大学

水系锌离子电池(AZIBs)中的常用阳极——锌箔，通常具有低N、P比和难加工的特性，难以大规模商用。锌粉的N、P比可调节、易组装性是锌箔的最佳替代品。但锌粉粗糙的球形表面可能使它们更容易受到腐蚀和枝晶生长的困扰。本篇文章利用静电纺丝技术将锌粉编织到聚丙烯腈/聚二偏氟乙烯(PVDF/PAN)的纤维长丝中，制成一种新型三维多孔锌阳极(PF@Zn)。所构建的纤维丝框架结构稳定灵活，避免了水合电解液对电极表面的直接接触，柔性纤维长丝的存在同时缓解枝晶生长产生的应力。此外,当镀锌或剥离过程中，织成纤维网的锌粉有效地均匀化了Zn²⁺通量，促进锌电极的稳定充放电。该研究为金属粉末电极的修饰和转化提供了一种可扩展的方法。

近日，来自沈阳工业大学的王鹏飞、史发年教授与沈阳化工大学的宫哲合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“3D network of zinc powder woven into fibre filaments for dendrite-free zinc battery anodes”的研究性文章。该文章提出了一种利用静电纺丝技术将锌粉颗粒编织到三维纤维丝中的方法，将其直接作为水系锌电的阳极使用可获得稳定的电化学性能。

如图2a、b所示，循环后裸露Zn表面的不均匀性使局部电场强度大，导致锌箔过度剥落并进一步诱导尖端枝晶形成。相比之下，3D纤维锌粉阳极中锌粉分布均匀，使离子的剥离/沉积更加均匀。此外，柔软的纤维在机械应力方面可限制簇状枝晶的生长。三维导电网络使Zn²⁺均匀化，降低了因过量剥离而产生死锌和副产物的风险。因此，锌粉阳极几乎没有观察到树突枝晶的存在。

采用原位光学显微镜观察在100 mA cm⁻²高电流密度下的沉积过程，对阳极的枝晶生长情况作出模拟(图3a, b)。在35s时，可以清楚地观察到裸锌中多余的Zn被剥离形成死锌分布在电解液中，Zn²⁺ 在锌箔表面成簇积累并逐渐生长变成尖锐的树突直至短路。相比之下，在整个剥离/镀锌工艺中，PF@Zn阳极显示出稳定的表面形态，丰富的三维微米孔对Zn²⁺离子通量有良好的影响。为了进一步说明PF@Zn对电化学性能的有益影响，在对称扣式电池中探索性能，得到的PF@Zn对称电池优于先前报道的锌粉阳极。

目前的水系锌离子电池阳极质量与相匹配的阴极相比，质量过大，这限制了其能量密度，造成了资源牺牲。为了调控其质量，使其在能量密度方面的成本更低，探索锌粉的不同添加量对纤维骨架的影响，结论为加入25mg的最佳添加量对该纺丝溶液体系具有较稳定的分布。图4显示了添加量为25mg时，由于纺丝溶液体系的粘稠度适宜，纤维骨架有足够的机械强度，能在一定程度上释放成核应力。若想增加或减少锌粉的含量，只需调控纺丝时间即可。如图5所示，由PF@Zn阳极与活性炭阴极组成的锌离子电容器具有优良的质量能量密度(47.06 Wh kg⁻¹)，且具有高倍率下的循环稳定性。

当前的水系锌离子电池仍处于发展阶段，这也是未来可替代锂电池能源研究的一个最具潜力的候选者。在水系锌离子电池中，N、P比的关键问题不应忽视。目前，使用的锌箔过于厚(>80微米)，导致低利用率和高N/P(负/正)，这降低了ZIBs的能量密度。如果使用超薄的锌箔，剥离过程不均匀会导致锌箔断裂或压碎，这可能会导致不良的电解质接触甚至电池失效。商业锌粉被认为是一种有吸引力的替代品。本篇使用锌粉作为阳极原料，因其可调性和通用性强。一方面，锌粉可以通过加减按需平衡N/P，提高阳极利用率。另一方面，锌粉的表面积比锌箔大得多，这使得控制电场的分布成为可能。本文提出的锌粉阳极制备方法可以被扩展到多种金属粉末电池的应用中，以加速金属粉末材料在能源市场中的应用。

“3D network of zinc powder woven into fibre filaments for dendrite-free zinc battery anodes”

王鹏飞，沈阳工业大学环境与化学工程学院讲师，硕士生导师，于哈尔滨工程大学获工学博士学位，师从曹殿学教授。研究领域为锂金属负极保护、锌金属负极保护、水系电池、锂硫电池等。以通讯作者和第一作者在 Chem. Eng. J、 J Colloid Interface Sci、Carbon Energy， Electrochim. Acta，Appl. Surf. Sci.等期刊发表论文三十余篇，并获得多次引用。

宫哲，沈阳化工大学化学工程学院讲师，硕士生导师，于哈尔滨工程大学获工学博士学位，师从曹殿学教授和朱凯副教授。研究领域为锂、锌金属负极保护及机理研究、水系电池电解液、电化学有机合成等，以通讯作者和第一作者在 J Energy Chem、Chem. Eng. J、 J Colloid Interface Sci、Energy ＆ Environ Mater， J Energy Storage等期刊发表论文多篇。

史发年教授，博士生导师；于中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室获得博士学位。后到南京大学配位化学国家重点实验室从事博士后研究。1999年5月到南京师范大学化学与材料科学学院从事教学与科研工作，受聘副教授。2001年11月至2014年11月，受聘于葡萄牙阿威罗大学化学系，先后作为博士后和研究员从事配位聚合物设计的研究工作，2014年12月归国，作为学术带头人引进到沈阳工业大学理学院化工系。长期从事新型功能配合物研究工作，尤其精通于配位聚合物的设计合成、结构表征和解析以及相关的物理性质研究。主持一项国家自然科学基金面上项目（已结题），研究兴趣主要在新能源材料（超级电容器和电池的电极材料）和环保材料（光催化剂）以及设计新材料和材料改性（材料掺杂、复合化和纳米化）。已经发表SCI论文150多篇，是JMC A、Dalton、J. Solid State Chem.等若干SCI期刊的审稿人。担任全国材料新技术发展研究会常务理事、中国能源学会能源与环境专业委员会第一届委员。多次主持和主办国际学术会议。

沙霖：沈阳工业大学硕士研究生，本科就读于沈阳工业大学应用化学专业，硕士就读于沈阳工业大学材料与化工专业。研究方向为水系锌阳极改性。目前1篇sci发表在Journal of Colloid And Interface Science上（高被引），1篇发表在Chemical Engineering Journal上，1篇中文综述MXene的制备及其在高比能碱金属电池中的应用被无机盐工业期刊收录。

课题组主要研究方向为水系电池、锂硫电池、钠离子电池、锂离子电池电极材料回收、锂离子电池固态电解质、MOF材料应用于能源储存等领域的应用研究。

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