CEJ：“双管齐下“助力实现高容量、长循环寿命水系锌离子电池- 大数跨境

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CEJ：“双管齐下“助力实现高容量、长循环寿命水系锌离子电池

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2023-12-08

导读：“双管齐下“助力实现高容量、长循环寿命水系锌离子电池

文章信息

“双管齐下“助力实现高容量、长循环寿命水系锌离子电池

第一作者：陈华卿†，王玉燕†，张树家†

通讯作者：原长洲*，侯林瑞*

单位：济南大学

研究背景

可充电水系锌离子电池（AZIBs）因其储量丰富、本质安全、成本低等优点，被证明是一种很有前途的储能器件。然而，由于缺乏稳定的高容量正极候选物以及负极中存在的枝晶生长问题，AZIBs的实际实施受到了严重的阻碍。因此，开发高性能的正负两极是基本和必要的，同时解决两极的致命缺陷，才能实现卓越的器件性能。

尖晶石相钒酸锌（ZnV₂O₄，ZVO）具有稳定的隧道结构，便于快速Zn²⁺嵌入/脱出，已被证明是一种高容量AZIBs正极材料。然而，在长时间循环过程中，它仍受制于本征电子/离子转移率低和结构脆弱的影响。分级多孔和多级微纳结构融合了纳米级亚基和微维框架的优点，能够提供丰富的离子传输/扩散通道和活性位点;另一方面，导电碳层能够进一步增强结构稳定性和电子导电性，结合上述两个方面有望改善ZVO的问题。此外，AZIBs的寿命短的罪魁祸首是水系列电解质中极差的锌金属负极。在相对较高的成核电势影响下，Zn²⁺优先沉积在曲率较高、活化能较低的初始成核位点形成锌枝晶。后续锌枝晶持续生长，刺穿隔膜导致电池短路。ZnO纳米结晶可以显著降低金属锌的成核势垒，然而，纳米维诱导的自发聚集削弱了其正向贡献。因此，实现纳米级ZnO在导电基底上的均匀分布，特别是在具有空心/多孔特征和稳健的力学性能的基底上，将是获得无枝晶锌负极的有效且可靠的解决方案。

文章简介

近日，济南大学原长洲教授团队探索了一种双管齐下的方案，通过正负两极的协同设计来实现高容量、长寿命的稳定AZIBs。首先，使用多层V₂CT_x MXene作为前驱体，衍生制得内部互连碳网的分层手风琴状ZnV₂O₄骨架（A-ZVO@C）作为正极。保留的三维开放结构有利于Zn²⁺的快速传输，而Zn阳离子作为支柱与层状氧化钒骨架牢固结合，有利于Zn²⁺的高效存储。同时，位于多孔ZnV₂O₄骨架中的导电碳网络显著提高A-ZVO@C的结构稳定性和电子导电性。此外，还合理地探索了一种稳定的无枝晶锌负极Zn/ZnO@HNCSs（即涂有ZnO@HNCSs APL的商用锌箔），其中ZnO纳米颗粒（NPs）均匀地位于空心N掺杂碳球（HNCSs）中，用于匹配A-ZVO@C正极。基于 Zn/ZnO@HNCSs 的对称电池在 1.0 mA cm^-2@0.5 mAh cm^-2下以 ~20 mV 的低过电位持久运行1400小时。基于上述两极协同方案组装的全电池（Zn/ZnO@HNCSs//A-ZVO@C）在0.2/8.0 A g^-1下展示出~422.6/~232.2 mAh g^-1的高倍率容量，以及出色的循环稳定性，在15.0 A g^-1的超高电流密度下循环3000次，容量衰减为~7.8%。

相关成果以“Two-pronged approach to achieving high-capacity and long stable-life aqueous zinc-ion batteries”为题发表在国际权威期刊Chemical Engineering Journal上。(DOI: 10.1016/j.cej.2023.147422)

图文分析

图1:A-ZVO@C的（a）XRD精修图谱，高分辨（b）Zn 2p和（c）V 2p XPS光谱，（d）FESEM图像，（e）EDS映射图像和（f）局部放大的SEM图像，（g）TEM和（h，i）HRTEM图像。

图2: ZnO@HNCSs的（a）XRD图谱和高分辨（b）Zn 2p和（c）C 1s XPS谱图。（d）具有相应粒度分布的SEM图像和（e）Zn/ZnO@HNCSs的横截面SEM图像。（f）TEM图像，（g）HRTEM图像和（h）晶格间距，（i）EDX映射图像。

图3：ZnO@HNCSs APL对Zn负极的影响：（a）Zn/ZnO@HNCSs、（b）裸锌在不同电流密度下的沉积电压曲线和（c）NOP与电流密度的对应关系。（d、e）3 M Zn（CF3SO3）2电解质与电极界面接触角。（f）Zn/ZnO@HNCSs及（g）裸锌的镀锌行为原位光学显微镜图像。（h、i）电化学沉积后的FESEM图像。（j）COMSOL模拟结果。

图4：（a）裸Zn和Zn/ZnO@HNCSs电极对称电池的循环性能。（b）Zn/ZnO@HNCSs负极的累积镀锌容量（CPC）比较。（c）倍率性能和（d）EIS 数据。（e）CE 测试。（f） Zn/ZnO@HNCSs//Cu电池在1.0 mA cm^-2@0.5 mAh cm^-2充放电电压间隙。

图5：Zn和Zn/ZnO@HNCSs对称电池在5.0 mA cm⁻²下循环后的表征。（a）Zn或Zn/ZnO@HNCSs电极数码照片和显微照片;（b）XRD图谱;（c）不同沉积晶面示意图;（d）主晶面的强度比;（e）各晶面RTC值;（f）ZnO@HNCSs APL示意图。

图6：（a）浸泡A-ZVO@C和ZVO极片6个月后电解液的紫外吸收图谱和相应的数码照片（插图）。（b）A-ZVO@C正极在5.0 A g^-1时的循环性能。（c）0.2至1.0 mV s^-1不同扫描速率下的 CV 曲线，（d）峰1 – 4 的log (i) -log (v)曲线（e）A-ZVO@C 在0.2至1.0 mV s^-1扫描速率下的电容/电池贡献。

图7：Zn/ZnO@HNCSs//A-ZVO@C和Zn//A-ZVO@C电池的电化学表征。（a）选定的CV曲线（1.0 mV s^-1）;（b）倍率性能;（c）循环性能（1.0 A g^-1）;（d）5.0 A g^-1 和（e）15.0 A g^-1的长循环性能，（f）Zn/ZnO@HNCSs//A-ZVO@C电池的自放电行为。

文章链接

Huaqing Chen1, Yuyan Wang1, Shujia Zhang1, Yuting He, Linrui Hou, Changzhou Yuan；Two-pronged approach to achieving high-capacity and long stable-life aqueous Zn-ion batteries；Chemical Engineering Journal，2023

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147422

通讯作者简介

原长洲，济南大学博士生导师，二级教授，山东省“泰山学者特聘教授”，济南市C类人才（省级领军人才），杰出青年基金和省技术领军人才获得者。多次入选科睿唯安“全球高被引科学家”（2016-2020，2022年）和爱思维尔“中国高被引学者”（2016-2022年）榜单。获教育部自然科学奖二等奖和省青年科技奖各一项。秉承“料要成材，材可成器，器之有用”的研究理念，聚焦电化学存储与转换领域前瞻性课题和关键技术难题，致力于关键材料精准合成、结构-组分/功能调控、内在储电/转换机制，及器件设计、构建与优化等应用基础研究。迄今，以第一/通讯作者已在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Today和Mater. Horiz.等国际刊物上发表SCI学术论文200余篇。申请中国发明专利30余件。详见课题组主页和个人链接：https://www.x-mol.com/groups/Yuan_Changzhou；

http://mse.ujn.edu.cn/info/1206/6151.htm。