孙永明教授EcoMat：稳定的络合吸附界面助力实现高度可逆的水系锌金属电池负极- 大数跨境

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孙永明教授EcoMat：稳定的络合吸附界面助力实现高度可逆的水系锌金属电池负极

科学材料站

2022-02-04

导读：本文提出在金属锌负极表面构筑稳定的络合吸附界面以提升水系锌金属电极的电化学可逆性。

文章信息

稳定的络合吸附界面助力实现高度可逆的水系锌金属电池负极

第一作者：欧阳涛，蔡钊

通讯作者：孙永明 *

单位：华中科技大学

研究背景

水系锌金属电池由于具有成本低、安全性高和环境友好等特点，在大规模能源存储和智能电网等领域展现出广阔的应用前景。然而，水系锌金属负极存在析氢腐蚀副反应和枝晶生长等问题，导致其电化学可逆性差，限制了水系锌金属电池的实际应用。

文章简介

针对上述问题，华中科技大学孙永明教授团队提出在金属锌负极表面构筑稳定的络合吸附界面以提升水系锌金属电极的电化学可逆性。将典型的络合剂乙二胺四乙酸（EDTA）添加到电解液，在金属锌电极界面形成络合吸附层，改善了在中性水系电解液中锌金属电极的电化学性能。

相关研究成果以“Reversible aqueous Zn battery anode enabled by a stable complexation adsorbent interface”为题发表在EcoMat期刊上。通过光谱学和第一性原理计算研究发现，在电解液中引入的极微量的EDTA（0.2 wt%）添加剂会化学吸附在锌金属电极表面，形成一层稳定的络合吸附界面。

一方面，化学吸附的EDTA界面层可以有效隔离活性锌金属和水系电解液，由此抑制析氢腐蚀副反应。另一方面，电极/电解液界面的EDTA分子富于氮/氧官能团，可与锌离子配位，由此控制锌金属成核生长动力学，引导锌均匀沉积，抑制锌金属枝晶生长。使用含EDTA添加剂的电解液的Zn||Zn对称电池在1mA/cm²和0.5mAh/cm²条件下可稳定循环5000 h，远优于使用未含添加剂的电解液的Zn||Zn对称电池（198 h）。

更重要的是，使用含EDTA添加剂的电解液的Zn||MnO₂全电池在1mA/cm²条件下循环500圈后容量保持率可达71.6%，而相同条件下使用未含添加剂的电解液的Zn||MnO₂全电池容量保持率仅为25.5%。本研究提出的络合吸附界面概念为设计高度可逆锌金属负极提供了一种简单而有效的策略，为水系锌金属电池的性能优化和实际应用提供了新的思路。

图1锌金属电极在（a）ZnSO4电解液和（b）ZnSO4 + EDTA电解液中的电化学循环示意图；（c）使用ZnSO4电解液和ZnSO4 + EDTA电解液组装Zn||Zn对称电池的电化学性能图。

本文要点

要点一：

提出了络合吸附剂界面的概念，采用微量EDTA (0.2 wt%)作为电解质添加剂，其能化学吸附在Zn电极上，稳定电极/电解质界面。

要点二：

构筑的EDTA界面吸附层不仅能通过阻隔锌金属与水的直接接触从而抑制腐蚀反应，而且能通过调控锌沉积动力学促进锌离子的均匀沉积。

要点三：

金属锌电极在含EDTA的电解液中表现出优异的电化学稳定性。

导师专访：该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。

由于锌金属负极的电化学可逆性差限制了其在水系二次电池的大规模应用。实现锌金属负极界面结构的动态稳定是提高锌金属负极稳定性的主要研究方向之一。本研究中我们利用常用的络合剂乙二胺四乙酸作为电解液添加剂，构筑稳定的络合吸附界面，一方面该吸附层能隔绝水氧从而抑制腐蚀析氢副反应，另一方面该界面结构能控制锌金属成核生长动力学从而引导金属锌均匀沉积，改善了锌金属电极在水系中性电解液中的电化学稳定性。

导师专访：您对该领域的今后研究的指导意见和展望

高可逆性水系锌金属电极的设计可以从抑制腐蚀析氢副反应和解决锌金属不均匀沉积的角度出发，研发匹配的功能型电解液，设计稳定的电极界面结构，从而实现高电化学稳定性的水系锌金属二次电池负极。

第一作者专访

▪ 该研究的设计思路和灵感来源

水系锌金属二次电池在大规模能源存储和智能电网等领域展现出广阔的应用前景。然而，水系锌金属负极存在析氢腐蚀副反应严重和枝晶生长等问题，导致其电化学可逆性差，限制了水系锌金属二次电池的实际应用。为解决该问题，我们开发了一种能够抑制锌金属电极腐蚀、同时促进锌金属均匀沉积的电解液添加剂。

▪ 该实验难点有哪些？

微量的添加剂在电极界面的表征及其作用机理解析是实验的难点。

▪ 该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

本研究通过一种简单易行的方法在锌金属电极上构筑了络合吸附界面，在抑制了腐蚀析氢副反应的同时，调控了锌金属的沉积行为，有效提高锌金属电极的电化学稳定性。

文章链接

Reversible aqueous Zn battery anode enabled by a stable complexation adsorbent interface

https://doi.org/10.1002/eom2.12167

通讯作者介绍

孙永明博士

华中科技大学武汉光电国家研究中心教授、博士生导师，入选国家高层次青年人才项目，《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（35 Innovators Under 35）中国区榜单，科睿唯安全球高被引科学家。孙永明教授长期从事新型储能材料与技术（锂离子电池、锂金属电池、锌金属电池等）等方向的科学研究，在相关领域取得了一系列突出成果，在Science, Nature Energy, Nature Nanotechnology等知名国际期刊发表论文80+篇。其中发表第一作者或通讯作者论文40+篇，包括Nature Energy （2）、Nature Communications（1）、 Journal of the American Chemical Society（1）、Advanced Materials （3）、Advanced Functional Materials（3）、Energy & Environmental Science（1）、Joule（1）、Advanced Energy Materials（3）等。此外，获得授权/申请国内外专利10余项目。据google scholar, 所发论文引用超过14600次，H因子为54。

第一作者介绍

欧阳涛博士

2019年入学华中科技大学武汉光电国家研究中心，主要从事锌金属负极和锂离子电池预锂化研究，迄今为止在EcoMat，J. Am. Chem. Soc.，Energy Storage Mater.等国际知名学术期刊上共发表SCI论文7篇，申请中国发明专利3项。

蔡钊博士

华中科技大学武汉光电国家研究中心助理研究员，主要从事过渡金属基电极材料的设计与能源存储/转化性能研究，迄今为止在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Energy Storage Mater.等国际知名学术期刊上共发表SCI论文30余篇，ESI高被引论文4篇，被引1600余次，H因子为20。申请中国发明专利3项，合著论著2部。

课题组介绍

下一代电池材料与器件课题组（孙永明教授课题组）围绕新型储能材料与技术方向开展科学研究，课题组长孙永明博士为华中科技大学武汉光电国家研究中心教授、博士生导师，国家级青年人才项目获得者。2018年1月入选《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（35 Innovators Under 35）中国区榜单。课题组成立4年来，在相关领域取得了一系列突出成果，以华中科技大学为第一作者单位以通讯作者或第一作者在Science Bulletin (1)、 Nature Communications (1)、Journal of the American Chemical Society (1)、Advanced Materials (1)、Advanced Functional Materials (2)、Advanced Energy Materials (2)、Joule (1)、Angewandte Chemie International Edition (1)、Nano Letters (4)、ACS Nano (1)、Energy Storage Materials (5)、Chemical Engineering Journal (1)、Nano Research (1)、Journal of Energy Chemistry (1)、Energy & Environmental Materials (1)、SCIENCE CHINA Chemistry (1)、Carbon Energy (1)、EcoMat (1)等期刊发表研究论文多篇。课题组正在蓬勃发展中，热忱欢迎海内外品学兼优、积极进取的有志青年加入！

课题组主页：

http://futurebattery.wnlo.hust.edu.cn/index.htm

课题组招聘

华中科技大学孙永明教授课题组诚聘海内外知名高校材料、化学、能源、物理等相关背景的博士后。课题组致力于通过多学科交叉的研究为下一代储能电池的发展提供新的可能和机遇。根据承担的科研任务及实验室发展需要，诚聘2-3名优秀博士后。

一、招聘要求

1、已经获得或者将于近期获得博士学历，具有较强材料、化学、物理或能源专业基础和理论功底的博士，具有以下研究工作经历之一者优先：（1）储能电池材料和器件研究经历；（2）无机合成、有机合成等研究经历；（3）具有电池材料理论模拟研究经历。

2、具有独立撰写英文论文的能力，独立撰写并以第一作者身份在相关学科领域权威杂志上发表一区SCI论文1篇（中科院分区）及以上；

3、对研究领域具有创新性构想和战略性思维，具有旺盛的工作热情；

4、为人正直诚恳，具有良好的团队意识和合作精神。

二、博士后待遇及福利

1、提供优越的科研平台。武汉光电国家研究中心为科技部首批六个国家研究中心之一，作为适应大科学时代基础研究特点而组建的学科交叉型国家科技创新基地，其面向世界科技前沿、面向国家重大需求，是国家科技创新体系的重要组成部分；2、博士后聘用期限一般为2至3年，年薪25万+（面议）；3、博士后研究人员聘期内，参照华中科技大学正式职工，享受同岗位教师子女入学、入托，医疗保险以及其他福利待遇；4、博士后研究人员聘期内，学校提供博士后公寓租住，对未能入住者，给予1000元/月的租房补助；5、课题组将为博士后提供良好的科研条件和职业发展平台，鼓励并全力支持博士后申报各类项目，具体面议。

三、申请方式

1、应聘者基本资料需包括本人简历（包含研究成果目录）和博士论文小结，并注明 “应聘博士后”字样。课题组会尽快安排面试考察；2、符合条件的应聘者，将通过电子邮件或电话协商面试时间，可报销往返差旅费并提供食宿；3、本招聘长期有效。另外，课题组诚聘已获得硕士学位且具有电池材料研究经验的科研项目助理1-2名，待遇面议。