厦大梁汉锋、王周成，长春理工刘万强，阿卜杜拉国王科大Husam N. Alshareef：择优取向氮化钛涂层实现稳定锌金属负极- 大数跨境

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厦大梁汉锋、王周成，长春理工刘万强，阿卜杜拉国王科大Husam N. Alshareef：择优取向氮化钛涂层实现稳定锌金属负极

科学材料站

2021-12-17

导读：本文开发了一种利用磁控溅射技术制备具有特定晶面取向的氮化钛涂层，并将其应用于水系锌离子电池锌负极保护。

文章信息

择优取向氮化钛涂层实现稳定锌金属负极

第一作者：郑加贤，Zhen Cao（曹臻）

通讯作者：梁汉锋*，王周成*，刘万强*，Husam N. Alshareef*

单位：厦门大学，长春理工大学，阿卜杜拉国王科技大学

研究背景

水系锌离子电池所用的Zn金属负极具有高理论容量（820 mAh g⁻¹）、相对较低的氧化还原电位（−0.76 V vs 标准氢电极）、低成本、高安全性和易加工等优点。然而，锌金属负极在循环充放电过程中其电极表面存在锌枝晶生长、析氢腐蚀和副产物积聚等问题，容易导致锌离子电池失效，进而阻碍了其大规模应用。因此，如何设计能够同时抑制枝晶生长、析氢反应和副产物积聚的锌金属负极保护涂层对于提高锌离子电池循环寿命和推动其实际应用至关重要。

文章简介

基于此，来自厦门大学的王周成教授、梁汉锋副教授，长春理工大学刘万强教授、阿卜杜拉国王科技大学的Husam N. Alshareef教授合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Preferred Orientation of TiN Coatings Enables Stable Zinc Anodes”的研究论文。

本文开发了一种利用磁控溅射技术制备具有特定晶面取向的氮化钛涂层，并将其应用于水系锌离子电池锌负极保护。实验和DFT理论计算结果表明以（200）晶面为主的氮化钛涂层[TiN(200)]能够有效促进锌离子均匀沉积避免枝晶生长，以及抑制析氢反应。

更有趣的事，可以诱导副产物碱式硫酸锌（ZHS）在TiN(200)涂层表面沿水平方向平铺生长，有效提升了锌阳极的库伦效率和循环寿命。所制备的锌负极在对称电池中的循环寿命超过2300 h (1 mA/mAh cm^-2)，库伦效率接近100%。该项工作为利用磁控溅射技术制备特定晶格取向的氮化物涂层用于保护锌金属负极提供了一种新的策略。

本文要点

要点一：氮化钛涂层形貌结构表征

在本文中，利用磁控溅射技术，通过调节不同氮气流量控制氮化钛涂层的晶面取向。如图1所示成功制备了TiN（111）和TiN（200）涂层。所制备的氮化钛涂层厚度仅为~1.3 μm。相比TiN(111)涂层的zig-zag表面，TiN(200)涂层具有更加平整的表面结构。

图1. 氮化钛涂层结构表征

要点二：对称电池电化学性能表征

如图2所示，对称电池测试结果表明TiN(200)涂层改性的锌负极相比空白锌箔和TiN(111)改性的锌负极具备更好的循环寿命和库伦效率。在测试条件为1 mA/mAh cm^-2时，对称电池的循环寿命超过2300 h。

同时，在更高的电流密度2 mA cm^-2和5 mA cm^-2的测试条件下分别具备超过1000 h和500 h小时的循环寿命。对称电池倍率测试结果也表明TiN(200)涂层改性的锌阳极具备良好的循环稳定性。

图2. 对称电池电化学性能表征

要点三：锌负极形貌结构演变

通过循环后的SEM图像可以看出TiN(200)涂层有效抑制锌枝晶生长并诱导电极表面ZHS平铺生长。电池反应前后的阻抗谱、尺寸变化以及电池厚度变化显示TiN(200)涂层有效抑制电池在循环过程中的析氢和腐蚀现象。反应后电极的XRD测试结果显示TiN(200)涂层有效减少了电极表面ZHS的产量。

图3. 锌负极界面结构衍变分析

要点四：ZHS生长行为研究

DFT计算结果表明ZHS在TiN(200)涂层水平生长所需的结合能远低于竖直生长所需要的结合能。相反，ZHS在TiN(111)涂层表面垂直生长所需的结合能比水平生长更低。因此，ZHS在TiN(200)涂层表面倾向于水平生长，而在TiN(111)表面则倾向于垂直生长。该计算结果与实验所观察到的现象一致。

图4. ZHS生长行为研究

文章链接

Preferred Orientation of TiN Coatings Enables Stable Zinc Anodes

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02299

通讯作者简介

梁汉锋副教授博导

厦门大学化学化工学院特任研究员(副教授), 博士生导师, 厦门大学南强青年拔尖人才, 厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室固定研究人员, 连续 2 年入选世界顶尖 2%科学家榜单(2019, 2020). 长期从事能源化工材料及表面功能涂层的开发和应用, 近五年来以第一作者/通讯作者身份在 Angew. Chem., Adv. Mater., Nano Lett. 等学术期刊发表论文 30 余篇, h 因子 37, 引用 7000 余次, 其中 9 篇论文入选 ESI 高被引论文. 目前担任希腊研究和创新基金会(HFRI)独立评审专家, Frontiers in Materials副编辑, The Innovation (Cell 出版社)及 Tungsten (Springer 出版社)青年编委, Nanomaterials, Materials, Frontiers in Chemistry编委, Nanomaterials, Frontiers in Chemistry 专刊编辑及 50 余种国内外学术期刊的独立审稿人.

刘万强教授博导

长春理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事金属电池电极材料保护等基础研究和高寒地区宽温储能技术开发方面的相关工作；承担科技部重点研发计划国际合作、国家自然基金和吉林省科技厅重点研发等项目，在ACS Energy Letters、Chemical Engineering Journal、Nano Research、Journal of Power Sources、Journal of Materials Chemistry A发表论文70余篇。

王周成教授博导

厦门大学化学化工学院教授，博导，连续 2 年入选世界顶尖 2%科学家榜单(2019, 2020)。注重将基础研究与实际应用相结合，主要研究领域为材料电化学与表面工程技术、电化学催化及储能、纳米结构复合涂层、医用金属材料表面处理等。主持国家科技支撑计划、国家自然科学基金、福建省科技重大项目等多项课题。已在国际重要学术刊物发表学术论文160多篇，获得国家发明专利38项。

Husam N. Alshareef 教授

沙特阿卜杜拉国王科技大学教授，科睿唯安高被引科学家，英国皇家化学会（RSC）会士，美国物理学会（APS）会士。Husam N. Alshareef教授主要从事先进材料的设计与合成及其在电化学储能技术和器件、电子器件以及传感器等领域的应用研究。已在Nature Energy， Nature Electronics, Nature Communications, JACS, Adv. Mater. 等期刊发表论文600余篇，H因子96，论文总被引>30,000次。

课题组介绍

厦门大学材料电化学与表面工程（MESE）实验室研究领域涵盖纳米材料、功能涂层和电化学。我们专注于纳米材料和涂层的大规模合成和加工的新方法开发，探索结构-性能之间的关系，以及将这些具备特定结构的功能材料应用于电化学储能、电催化、化学设备和医疗植入产品等领域。

课题组主页：

meselab.webflow.io