深圳大学张培新教授团队AFM：原位构建多功能金属界面相实现超稳定锌金属电池的新见解- 大数跨境

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深圳大学张培新教授团队AFM：原位构建多功能金属界面相实现超稳定锌金属电池的新见解

科学材料站

2021-11-16

导读：本篇文章展示了一种新颖的锌负极改性方式，即通过往电解液中添加铟离子的方法原位构建金属界面相。

文章信息

原位构建多功能金属界面相实现超稳定锌金属电池的新见解

第一作者：欧阳珂丰，马定涛

通讯作者：张培新

单位：深圳大学

研究背景

与碱金属如Li、Na、K相比，金属Zn凭借其低价格、高丰度、水系环境中的稳定性以及低还原电位（-0.76V vs 标准氢电极）和高比容量（5855mAh cm^-3）等优点，使得锌离子电池具备成为新一代商业化储能设备的潜力，科研人员对水系锌离子电池也进行了各方面的研究。

但是，水系锌离子电池锌负极固有的的枝晶生长和寄生副反应是锌离子沉积/剥离过程中棘手的问题，导致Zn沉积不可控，进而急剧缩减了水系锌离子电池的循环寿命，这些难以解决的问题严重地限制了锌离子电池的应用。电解液改性策略作为一种便捷的锌负极保护方法，一直是锌离子电池领域内研究的热点。通常，在电解液添加剂的作用下，锌负极-电解液界面附近的离子浓度场被均匀化，使得枝晶生长被抑制。

然而，传统的电解液改性策略也存在诸多弊端，比如，具有高强粘度的聚合物添加剂会导致极化的增大，影响全电池的倍率性能，而无机添加剂也会引入杂质使电池体系变得复杂。因此，设计高效的锌负极改性方案，使锌负极免受枝晶与副反应的影响，成为了一项巨大的挑战。

文章简介

基于此，来自深圳大学的张培新教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“A New Insight into Ultrastable Zn Metal Batteries Enabledby In Situ Built Multifunctional Metallic Interphase”的研究论文。

本篇文章展示了一种新颖的锌负极改性方式，即通过往电解液中添加铟离子的方法原位构建金属界面相。该界面相能够诱导锌离子均匀沉积和抑制副反应发生，使锌负极获得超长的循环寿命，并极大地提升了Zn-V2O5全电池的电化学性能。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速水系锌离子电池领域的研究及实际应用。

图1.原位构建多功能金属界面相的示意图。

文章要点

要点一：原位构建的铟金属界面相的制备方法和对其多功能性的表征

通过简单的电解液添加的方法原位构建多功能金属界面相。相比于锌金属，铟具有更高的还原电位（-0.338V vs标准氢电极），因此，在电池静置过程中，铟离子能够在溶液中与锌金属自发地进行置换反应，从而在锌金属表面形成一层铟金属镀层。该金属界面相具有抵抗腐蚀/析氢和抑制枝晶生长的多重功能。

图２.原位构建的铟金属界面相对抗腐蚀性能的表征。

将在含有铟离子电解液添加剂中静置过的锌负极片取出，并和未处理的锌箔一起在三氟甲烷磺酸锌水系电解液环境中浸泡不同天数，随后采用SEM，EDS和XRD对锌负极进行表面形貌和物相的表征。

图３.原位构建多功能金属界面相对副产物生成和枝晶生长的抑制作用的表征。

通过测量循环后的对称电池的厚度并比较其前后变化证明铟金属界面相对析氢反应的抑制作用；对循环后的锌箔进行形貌和物相表征，证明界面相对副产物的生成和枝晶生长的抑制作用；通过对循环后锌负极的Zn (002)和Zn (002)的XRD峰强度比值进行比较，结合DFT计算提出负极表面铟金属凭借In (002)面对Zn (002)面高的吸附能和两者间低的晶格失配率诱导平滑的Zn (002)面沉积的观点。

图４.原位阻抗测试表征离子传输动力学。

通过原位阻抗测试发现铟金属界面相对锌负极表面的离子传输动力学具有明显的提升作用，从另一个方面证明了锌负极的稳定性得到了显著提升，副反应和枝晶、死锌的形成受到抑制。

要点二：超稳定锌负极的锌沉积机理表征

图５.锌沉积过程的原位／非原位观察。

图６.双场模拟。

通过原位光学显微镜和非原位的SEM观察锌的沉积过程，结合前述的实验结果，得出了以下结论：①铟金属界面相通过吸附锌离子并诱导其在（002）面上的光滑沉积从而抑制锌枝晶。②牢固的界面相隔绝锌负极与电解液的直接接触从而抑制副反应。关于界面相对离子浓度分布和锌沉积形貌的调节作用通过双场模拟得以辅助说明。

要点三：优异的电化学性能

图７.对称电池测试表征锌负极稳定性。

图８.Zn-V2O5全电池电化学性能。

文章链接

A New Insight into Ultrastable Zn Metal Batteries Enabledby In Situ Built Multifunctional Metallic Interphase

https://doi.org/10.1002/adfm.202109749

通讯作者简介

张培新，深圳大学化学与环境工程学院二级教授

先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划项目子课题、广东省自然科学基金等40多项课题。获省级科学技术奖二等奖4项、三等奖3项，获国家发明专利授权16件，出版专著2部，发表论文320多篇，其中包括Chem. Soc. Rev.,Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等国际著名期刊。