刘文教授、杨程凯副教授， CEJ研究论文：离子导体界面稳定锌阳极实现高性能锌离子水电池- 大数跨境

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刘文教授、杨程凯副教授， CEJ研究论文：离子导体界面稳定锌阳极实现高性能锌离子水电池

科学材料站

2023-09-15

导读：刘文教授、杨程凯副教授， CEJ研究论文：离子导体界面稳定锌阳极实现高性能锌离子水电池

文章信息

离子导体界面稳定锌阳极实现高性能锌离子水电池

第一作者：张巧丽，梁津瑞，李猛超

通讯作者：刘文*，杨程凯*

单位：北京化工大学，福州大学

研究背景

水系锌离子电池(AZIB)由于其本征高安全性、低成本、环保和具有竞争力的能量密度，在大规模储能方面有应用前景。然而，锌金属阳极在循环过程中的副反应和枝晶，导致其库仑效率低、循环稳定性差，阻碍了AZIB的大规模应用。本工作在锌金属阳极表面制备了一层由聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和铜锌合金纳米颗粒组成的，具有快速锌离子扩散路径的有机-无机复合层。该复合层类似于人工固体电解质界面层，表面疏水、能均匀锌离子通量、降低成核能，同时抑制了锌阳极在沉积/剥离过程中的枝晶生长和表面析氢反应。具有表面保护层的锌阳极(p-Zn)在对称电池测试中，在0.5 mA/cm²-0.5 mAh/cm²的电流-容量条件下，稳定循环2700小时。在以VO₂为阴极的全电池中，在1 A/g的电流密度下稳定循环1000圈，平均库仑效率为99.945%。在以VO₂为阴极的软包全电池中，在1 A/g电流密度下稳定循环330圈以上，且软包电池没有膨胀和漏液。本文为锌阳极保护提供了一种简单可行的策略，具有巨大的实际应用潜力。

文章简介

近日，来自北京化工大学的刘文教授与福州大学的杨程凯副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Stable Zinc Anode with Ionic Conductive Interface Layer for High Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”的研究文章，该论文提出了一种锌金属阳极的保护策略。该策略为在锌金属表面涂覆一层复合材料保护层（由PVB与铜锌合金纳米颗粒组成），该保护层将电解液和锌金属阳极隔开，抑制了副反应的发生；同时该保护层具有快离子传输通路，能均匀离子传输，抑制枝晶生长。

图1. 锌沉积示意图。a) 副反应和枝晶在没有保护层的锌阳极上出现。b) 在锌金属表面制备无机-有机复合面层。保护层由PVB和Cu-Zn合金纳米颗粒组成，抑制表面副反应，并诱导无枝晶锌沉积。

图2. 保护层的表征和性能。c) 水溶液在无保护的锌阳极和有保护层的锌阳极表面的接触角结果。有保护层的锌阳极d) 表面和e) 横截面的SEM图像和EDS结果。

图3. 锌离子迁移示意图及锌金属锌沉积原位光学观察。a) 锌离子通过PVB聚合物的扩散路径。b) 锌离子通过PVB聚合物与铜锌合金界面的扩散路径。c) 不同路径锌离子扩散的迁移能垒对比。(d) 无保护层的锌阳极和 (e) p-Zn上锌金属沉积的原位光学显微镜图像，电流密度为1 mA/cm²。两幅图像中的比例尺代表100微米。

图5. 不同锌阳极的稳定性。a) 无保护层的锌和b) p-Zn经过不同循环后的光学照片。c, d) 50次循环前后无保护层锌阳极的SEM图像。e) 循环前后无保护层锌阳极的XRD图谱。f, g) 循环50次前后p-Zn阳极的SEM图像。h) 循环前后p-Zn阳极的XRD图谱。

图6. Zn||VO₂和p-Zn||VO₂全电池性能。a) Zn||VO₂和p-Zn||VO₂扣式电池的循环伏安曲线。b) 在50、200、500、1000、2000和200 mA/g电流密度下Zn||VO₂和p-Zn||VO₂扣式电池的倍率性能。c-e) Zn||VO₂和p-Zn||VO₂扣式电池在电流密度为0.2、1.0和2.0 A/g时的放电/充电曲线。f) Zn||VO₂和p-Zn||VO₂扣式电池在1 A/g下电流密度的长循环稳定性; g) 两个p-Zn| VO₂软包电池串联点亮49个LED灯。i) 电流密度为1 A/g时p-Zn||VO₂软包电池的循环性能。

文章链接

Stable zinc anode with ionic conductive interface layer for high performance aqueous zinc-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145981

通讯作者简介

刘文教授简介：北京化工大学化学学院，教授，博士生导师。2013年毕业于北京大学化学与分子工程学院，获理学博士学位。2013–2014年在韩国国立蔚山科技学院从事博士后研究工作；2014–2017年在美国耶鲁大学化学系/能源科学中心从事博士后研究工作。2017年–至今，北京化工大学化学学院教授。主要从事高比能二次电池的材料设计合成、性能评价、机理研究及器件优化（包括锂离子电池，锂硫电池，金属空气电池等）；电解液设计及金属负极保护策略；高性能电化学催化剂的理性设计合成，催化中心指认和调控，以及新型能源转化器件的开发。在Nature comm.，PNAS，Adv. Mater.，Energ&Enivron Sci.，Angew. Chem.，Adv. Energy Mater.，Energy Storage Mater. 等杂志发表论文70余篇，论文总引用13000余次，H指数50。

杨程凯副教授简介：福州大学材料科学与工程学院，副教授，硕士生导师。2019年加入福州大学，研究工作面向高效能源存储材料与化学，围绕“电极表界面调控和溶剂化调变规律”开展工作，在离子电池正极、负极材料和电解质等领域取得了一系列研究进展。相关工作申请获批国家自然科学基金、福建省自然科学基金等多个项目。这些工作探究表界面结构构建、反应界面的化学相互作用以及表界面溶剂化调变规律，以期实现材料功能表界面理性设计与修饰调变的可能，对能源材料、能源材料化学、离子电池的发展及相关产业的进步具有重要意义。