湖南大学陈小华课题组ESM：调控锌负极副产物，变“不利”为“有利”，实现稳定的锌金属负极

水系锌离子电池由于其低成本，高安全性及高体积能量密度等优点被视为一种极具前景的大规模储能技术。然而，锌金属负极的稳定性一直是锌离子电池商用化的重大挑战之一。严重降低锌负极稳定性的罪魁祸首之一在水系电解液中由于析氢反应生成的碱式硫酸锌等副产物，它会造成锌负极界面电子及离子分布不均，从而诱导枝晶生成。

为此，科研人员通过各种改性手段来抑制碱式硫酸锌副产物的生成从而提升锌负极的循环稳定性。虽然取得了不错的进展，但是碱式硫酸锌的生成仍然是不可避免的。在本文中，作者另辟蹊径，设计调控碱式硫酸锌的结构和成分，将碱式硫酸锌的“不利”变为“有利”，从而提升锌负极的稳定性，这将为提升锌负极改性思路提供全新的理论指导。

近日，湖南大学陈小华课题组在 2M ZnSO₄ 电解液中引入了对羟基苯甲醛添加剂来调控锌负极界面析氢反应及碱式硫酸锌的形成，从而提升锌负极的循环稳定性。在锌沉积过程中，对羟基苯甲醛添加剂在界面处会与来自水分解Volmer step的H*反应来减缓后续Heyrovsky或Tafel step反应速率，从而抑制氢气的析出。由于对羟基苯甲醛添加剂不断消耗H*，锌负极界面的OH-含量将会持续升高，进而诱导碱式硫酸锌在界面平行堆叠形成致密保护层。

与析氢反应诱导生成的随机交叉排列的碱式硫酸锌相比，该致密保护层能更有效地缓解锌负极与水之间的副反应。同时，对羟基苯甲醛的还原产物如对羟基苯甲醇等有机衍生物在碱式硫酸锌表面沉积，最终形成独特的有机无机混合SEI膜。得益于此，锌金属腐蚀及锌离子的无序扩散被进一步限制，为锌离子可逆均匀的沉积奠定了基础。电化学测试结果表明使用对羟基苯甲醛添加剂的锌对称电池在每圈沉积容量为2 mAh cm^-2条件下可实现 20 Ah cm⁻² 的超高累积沉积容量。

当放电深度提升至51.3%时，锌对称电池仍然可实现 120 小时的循环环寿命。此外，Zn|Cu 半电池在 2 mA cm⁻² 下 2460 次循环的平均库仑效率 (CE) 高达 99.8%。该文章发表在国际顶级期刊Energy storage Materials上，博士研究生黄聪为本文第一作者，胡爱平教授和陈小华教授为本文通讯作者。

陈小华 湖南大学教授，博士生导师，湖南大学岳麓学者，湖南省新世纪121人才工程第二层次人选，中国仪表材料学会理事，中国非金属材料协会石墨专家委员会委员, 电子信息材料与器件专家委员会委员。已主持包括国家自然科学基金项目以及其它国家、部、省、企业等研究课题50余项。长期从事纳米材料的设计合成及电化学性能、电化学储能材料、纳米复合材料及表面技术等研究工作。

获教育部自然科学二等奖一项（第一完成人），主持的项目“化学气相沉积法批量生产多壁碳纳米管”已通过湖南省科技厅组织的成果鉴定，并已成功地推向市场。在“Advanced Materials, Energy & Environmental Science”等国内外重要刊物上共发表研究论文100余篇，SCI、EI收录80篇左右，被SCI他人引用4500多篇次，高被引论文5篇，获国家发明专利授权6项，转让1项。