付丽君教授、吴宇平教授， JMCA观点：人工电子-离子混合导体涂层提高锌负极的高循环稳定性- 大数跨境

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付丽君教授、吴宇平教授， JMCA观点：人工电子-离子混合导体涂层提高锌负极的高循环稳定性

科学材料站

2022-04-02

导读：该研究文章在锌表面引入由海藻酸锌凝胶(Alg-Zn)和酸化导电炭黑(AB)组成的人工混合电子离子导电层(Alg-Zn+AB@Zn）

文章信息

人工电子-离子混合导体涂层提高锌负极的高循环稳定性

第一作者：樊惟佳

通讯作者：付丽君*，吴宇平*

单位：南京工业大学，圣彼得堡国立大学

研究背景

水性可充电锌离子电池因其安全性高、成本低等优点备受关注。然而，由于锌负极存在枝晶和腐蚀问题影响锌离子电池的大规模应用。目前，表面改性是优化锌负极的重要手段之一。

离子导体涂层是指只能够调节锌离子传输，具有锌离子通道的涂层。一般离子导体涂层，或极化大，或制备程序麻烦，或机械性能有待改进。此外，只能够均匀锌负极界面电子分布的涂层称为电子导体涂层。锌离子被诱导在电子导体涂层表面沉积，从而导致枝晶或副产物的形成。因此，探索锌负极的表面包覆层以改善离子或电子导体的缺点，同时采用简便的制备方法具有重要意义。

文章简介

基于此，来自南京工业大学付丽君教授和吴宇平教授，在国际知名期刊JMCA上发表题为“High cycle stability of Zn anodes boosted by an artificial electronic–ionic mixed conductor coating layer”的研究文章。

该研究文章在锌表面引入由海藻酸锌凝胶(Alg-Zn)和酸化导电炭黑(AB)组成的人工混合电子离子导电层(Alg-Zn+AB@Zn），其中， Alg-Zn作为离子导体， AB作为电子导体。这项工作为合理设计非枝晶金属负极提供了一种方便和低成本的策略。

图1. a）Zn、b）PVDF+AB@Zn、c）Alg-Zn@Zn 和d）Alg-Zn+AB@Zn 上的锌沉积示意图。（e ）不同负极对称电池的定性比较。

本文要点

要点一：不同涂层对锌负极改善的作用机制

对于裸锌，粗糙表面往往引起不均匀电场。随后，锌离子沉积在尖端突起形成枝晶并导致内部短路。对于PVDF+AB@Zn（电子导体），由于AB的高电子电导率和大量孔隙，降低成核电位，在早期实现均匀沉积。但随循环进行，涂层表面沉积锌之后，容易形成尖端引发枝晶。相反，对于Alg-Zn@Zn（电子导体），由于静电力的作用诱导锌离子在涂层下均匀沉积。然而，静电力的作用与有限的电子转移，增加了极化。

而，Alg-Zn+AB@Zn（人工混合导体）结合了电子导体和离子导体的优点，即，电子导体促进电子转移以及离子导体在电镀/剥离过程中引导的 Zn²⁺离子的作用，这不仅可以防止锌枝晶的形成，而且还可以减少电镀/剥离锌过程中的极化。在雷达图（图1e）中，Alg-Zn+AB@Zn比Zn和PVDF+AB@Zn表现出更好的副反应抑制能力，极化小于Zn和Alg-Zn@Zn。同时，它具有最长的循环寿命。总体而言，Alg-Zn+AB@Zn 可有效降低极化、抑制副反应、提高倍率性能并延长循环寿命。

要点二：全电池的电化学性能

改性后的锌负极具有良好的电化学性能，特别是在大电流密度下具有显著的循环稳定性。根据我们最了解的情况，在10 A g^-1和20 A g^-1的情况下，在10000次循环和16000次循环后，容量保持率可以达到~100%。

要点三：前瞻

水系锌离子电池具有广阔的储能应用前景。然而，锌枝晶生长、副反应和腐蚀反应阻碍了水系锌离子电池的发展。特别是在高电流密度下，枝晶的形成更加严重。在锌负极表面涂覆保护层是解决这一问题的重要手段。然而，上述问题要么仍然存在，要么保护层的制备过程很复杂。

本文采用简单的刮刀法制备了人工混合电子离子导电层，并将其引入到提高锌负极性能的研究中。人工混合导电涂层兼具了电子导体涂层和离子导体涂层的优点，既调节了锌离子的扩散，实现了锌的均匀沉积，又降低了反应极化。此外，副反应也可得到缓解。因此，Zn/AC全电池可实现超长寿命，特别是在高电流密度下，其容量保持率可达100%。此外，还比较了电子、离子和人工混合导体涂层对锌负极的作用，对未来锌负极改性有指导作用。

文章链接

High cycle stability of Zn anodes boosted by an artificial electronic–ionic mixed conductor coating layer

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta00697a