文 章 信 息
界面双配位效应引导均匀电沉积实现可逆锌金属阳极
第一作者：曹金、孙永鑫
通讯作者：杨学林*、陆俊*
单位：三峡大学、浙江大学
研 究 背 景
近年来，在不断增长的能源需求和对化石燃料燃烧导致的“温室效应”的担忧之中，研究人员越来越致力于开发可再生能源和可持续能量转换/储存技术。锂离子电池(LIBs)因其高能量密度而受到广泛关注。然而，由于稀缺的锂金属资源、与锂阳极相关的安全问题以及有机电解质易燃性引发的高成本，使得LIBs在大规模能量储存网络中的广泛应用受到了阻碍。然而，水性锌离子电池(ZIBs)的实际应用却受到了多种问题的限制，比如枝晶生长、析氢、腐蚀以及副产物的生成。因此，研究设计一种低成本，环境友好以及高安全性的新型水系锌离子电池电解液添加剂，具有重要的研究价值。
文 章 简 介
近日，来自三峡大学曹金副教授、杨学林教授和浙江大学陆俊教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Interfacial Double-Coordination Effect Guiding Uniform Electrodeposition for Reversible Zinc Metal Anode”的研究论文。该观点文章通过在2 M ZnSO4 电解液中加入适量的二苯胺磺酸钠（DASS）材料并用于水系锌离子电池，用于解决锌阳极面临的析氢、腐蚀、枝晶生长等副反应。该材料含有许多氮(N)和硫(S)原子并带有孤对电子，从而实现锌原子与DASS (Zn-N, Zn-S)之间的强大配位效应，并在原位形成一个吸附在锌表面上的DASS层。这项研究引入了一种新颖的界面双配位技术，用于在水性可充电锌离子电池中原位调节阳极/电解液界面，实现高度可逆和稳定的锌阳极，并推动水系锌离子电池的实际应用。
Scheme 1 Schematic illustrations for Zn deposition in ZSO and ZSO+DASS electrolytes.
要点一：DASS与Zn2+强结合：原位构建保护层
通过一系列的表征手段对DASS的吸附行为进行全方面的解读。利用XPS、FTIR、Raman等手段验证了锌原子与DASS(Zn-N, Zn-S)之间的吸附行为，并结合扫描电子显微镜，EDS进行微观结构表征。通过DFT计算，进一步证明了DASS对锌负极表面的N，S双配位效应。
Figure 1 (a) XPS survey, (b) S 2p, (c) N 1s XPS spectrum of pure Zn and Zn after soaking in ZSO/H2O and DASS/H2O. (d) (e) FT–IR spectra, (f) Raman spectra of pure Zn and Zn after soaking in ZSO/H2O and DASS/H2O. (g) SEM and EDS mapping images of Zn after soaking in DASS/H2O.
Figure 2 Calculated binding energy of (a) Zn (001) – DASS (S site), (b) Zn (001) – DASS (N site), (c) Zn (001) – H2O, and (d) Zn (001) – Zn. (e) Schematic illustration of the DASS coordinated layer. (f) CA curves (−150 mV). Simulated Zn2+ distribution in (g–i) ZSO, (j–l) ZSO+DASS electrolytes.
要点二：DASS的电化学性能
将所制备的电解液组装Zn//Zn对称电池，含有DASS的电解质中，在电流密度为1 mA cm-2以及面容量为1 mAh cm-2的条件下，对称电池可以稳定循环2400小时之久，并且具有优异的库伦效率99.44%，表现出明显的高可逆性和稳定性。在不同电流密度下，对称电池在含有DASS的电解质中依旧表现良好。
Figure 3 Cycling stability of Zn anodes in ZSO and ZSO+DASS electrolytes under (a) 1 mA cm–2, (b) 5 mA cm–2, (c) 20 mA cm–2, and (d) ever–increasing current densities. (e) Comparison with recent reports. (f) CE of Zn//Ti batteries under 5 mA cm–2. Voltage profiles of Zn//Ti batteries in (g) ZSO+DASS, and (h) ZSO electrolyte.
Figure 4 (a) Rate performance of Zn//VO2 batteries in ZSO and ZSO+DASS electrolytes. GCD profiles of Zn//VO2 batteries in (b) ZSO+DASS and (c) ZSO electrolyte. (d) CV, (e) cycling stability of Zn//VO2 batteries in ZSO and ZSO+DASS electrolytes. GCD profiles of Zn//VO2 batteries in (f) ZSO+DASS and (g) ZSO electrolyte. (h) LED “ZIBS” powered by Zn//VO2 cells.
要点三：可逆锌沉积/剥离的电化学测试和表征
通过一系列电化学测试和表征手段充分验证了DASS添加剂对稳定锌负极的积极作用，从而获得了平整、均匀、致密的锌负极，有效避免水诱导的析氢、腐蚀以及副产物的生成，极大改善了锌枝晶胡乱堆积的现象，这都归因于含DASS添加剂对锌负极/电解质界面的调节作用，在抑制锌负极腐蚀等方面的功能。
Figure 5 In–situ optical observation of electrodeposition in (a) ZSO electrolytes, and (b) ZSO+DASS electrolytes. LCM images of Zn deposition in (c) ZSO and (d) ZSO+DASS electrolytes. (e) (f) SEM and (g) cross section image of Zn cycled in ZSO electrolyte. (h) (i) SEM and (j) cross section image of Zn cycled in ZSO+DASS electrolyte. (k) LSV curves, (l) Tafel curves in various electrolytes. (m) XRD pattern of cycled Zn.
文 章 链 接
Interfacial Double-Coordination Effect Guiding Uniform Electrodeposition for Reversible Zinc Metal Anode
https://doi.org/10.1002/aenm.202302770
第 一 作 者 简 介
曹金，三峡大学材料与化工学院校聘副教授，2022年博士毕业于泰国朱拉隆功大学，香港城市大学访问学者。主要从事水系储能器件相关的研究，以第一作者/通讯作者在Energy Environmental Science，Advanced Energy Materials (2篇)，Advanced Functional Materials (2篇)，Nano Energy (3篇)，Applied Catalysis B: Environmental，Chemical Engineering Journal等国际学术期刊上发表论文30余篇，5篇入选高被引论文，2篇入选热点论文，总被引2300余次。主持承担湖北省自然科学基金、国家重点实验室开放课题、三峡大学人才启动经费等项目。担任《eScience》、《Advanced Powder Materials》和《Journal of Metals, Materials and Minerals》等期刊青年编委。
通 讯 作 者 简 介
杨学林，二级教授，博士生导师，中国固态离子学会副秘书长，湖北省电池标准化技术委员会副秘书长，湖北省杰出青年基金获得者，省政府专项津贴专家，储能新材料湖北省工程实验室主任，三峡大学材料与化工学院党委书记、分析测试中心主任、储能技术研究院院长。2007年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，同年加入三峡大学从事储能电池材料研究。主持承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、湖北省技术创新重大专项、湖北省自然科学基金创新群体、湖北省杰出青年基金等项目20余项；发表高水平学术论文150余篇，获授权发明专利40余项；先后获得湖北省技术发明奖、自然科学奖与湖北高校十大科技成果转化项目等奖励，与企业共建新型石墨材料国家地方联合工程研究中心、储能新材料湖北省工程实验室等科技平台，为宜昌新能源和新材料产业创新发展起到了积极的推动作用。
陆俊，浙江大学求是讲席教授、衢州动力电池和储能研究院院长、国家海外高层次人才。长期从事电极材料设计、先进表征技术、下一代电池技术等领域的科研和工业实践工作，发表论文500余篇，其中Science 1篇，Nature 5篇，Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Review Materials、Nature Sustainability、Nature Communications等60余篇。所研发的高镍正极材料已实现技术成果转让，此技术荣获2019年R&D 100 Award。累计获得授权PCT专利20余件，产品已广泛应用于动力电池及储能等领域。获电化学能源储存与转换领域内20多项重要国际奖励，包括美国电化学会电池分会技术奖（2022）、美国化学会能源与燃料部（ENFL）电化学储能杰出研究员奖（2022）、国际电池材料协会（IBA）杰出研究奖（2022）等，担任多种重要学术兼职，包括任国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces副主编等。课题组网站http://www.lubattery.cn。
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