湖南大学朱智强教授，EnSM研究论文：植物提取物原位构筑亲锌位点实现无枝晶锌负极- 大数跨境

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湖南大学朱智强教授，EnSM研究论文：植物提取物原位构筑亲锌位点实现无枝晶锌负极

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2021-11-02

导读：该文章创造性地使用低价绿色的荨麻提取物作为锌离子电池电解液添加剂在锌负极表面原位构筑亲锌位点

文章信息

植物提取物作为电极液添加剂原位构筑亲锌位点实现无枝晶锌负极

第一作者：张雷苗立成

通讯作者：朱智强*

单位：湖南大学，深圳大学

研究背景

水系金属离子电池相比于有机电池具有更高安全性、更低成本，因此被认为是非常有吸引力的下一代储能器件。其中，金属锌因其丰富的自然丰度、高的质量/体积理论容量(820 mAh g−1/5855 mAh cm−3)和低的氧化还原电位(-0.76 V vs. SHE)而受到研究者们的广泛关注。

然而，锌负极在充放电过程中往往容易形成枝晶，极大地降低了其使用寿命。因此，抑制充放电过程中锌枝晶的形成对于推动锌离子电池走向实际应用具有重要意义。

本篇论文创造性地提出了采用低价绿色的植物提取物作为锌离子电解液添加剂，利用其中亲锌性组分在锌负极表面的特性吸附原位构筑丰富的亲锌位点，实现了锌负极循环寿命的极大提升。

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电解液添加剂领域的研究及其实际应用。

文章简介

在这里，湖南大学朱智强教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Engineering zincophilic sites on Zn surface via plant extract additives for dendrite-free Zn anode”的研究论文。

该文章创造性地使用低价绿色的荨麻提取物作为锌离子电池电解液添加剂在锌负极表面原位构筑亲锌位点，实现了锌负极寿命的极大延长，并进一步通过物理表征结合理论计算研究了其作用机理。

文章要点

要点一：电极液修饰前后锌负极表面的成核及生长过程

通过原位观察锌离子沉积过程可以发现，锌离子在负极表面的成核及沉积过程得到了明显的改善。添加荨麻提取物后，锌负极表面在沉积过程初期产生了更多的成核位点，有利于引导后续锌离子的均匀沉积。

扫描电镜结果也进一步证明了该添加剂对锌枝晶的抑制效果。相较于未修饰电解液，在含荨麻提取物的电解液中循环后的锌负极表面更为平整，没有明显的枝晶生长。

图1 锌离子沉积过程。(a) 锌离子沉积示意图；(b,c) 锌离子在不同电解液中的沉积过程显微镜图；(d,e) 锌负极在不同电解液中循环后的扫描电镜图。

要点二：优异的电化学性能

实验结果证明在电解液中加入适量的荨麻提取物后，Zn-Zn电池循环寿命得到了极大地提升。在1 mA cm-2，1 mAh cm-2下，其循环寿命延长至3000 小时。即使在5 mA cm-2，5 mAh cm-2下，其循环寿命仍能达到2200 小时。除此之外，Zn-Cu电池的库伦效率也得到了有效的提高。

图2 半电池测试。(a) 在 5 mAcm-2，5 mAh cm-2下，Zn-Zn电池循环寿命对比测试图；（b）在 1 mA cm-2，1 mAh cm-2下，Zn-Zn电池循环寿命对比测试图；（c）Zn-Cu电池库伦效率对比图及（d,e）对应的充放电曲线图。

要点三：作用机理表征及解释

通过物理表征、电化学测试及理论计算进一步证明了荨麻提取物中以5-羟色胺为代表的亲锌性组分在电极表面的吸附行为。这种特性吸附使得锌负极表面原位形成了更多的亲锌成核位置，避免了锌枝晶的生成。

除此之外，亲锌物质的吸附减少了电极/电解液界面处水的含量，有效抑制了析氢及腐蚀反应的发生。

图3 锌负极在不同电解液中循环后的表界面结构分析。(a) 拉曼光谱图；(b,c) 共聚焦荧光反射图；(d) N1s精细XPS谱；(e) 红外光谱图；(f) 电极界面双电层。

图4 以5-羟色胺（荨麻提取物中的一种亲锌组分）为研究对象的理论计算结果。(a) 界面吸附能；(b,c) 差分电荷密度；(d) HOMO-LUMO；(e) 结合能；(f) 静电势相互渗透距离。

要点四：全电池及软包电池应用

在Zn-PANI/CF的全电池体系中，荨麻提取物的引入也可以提高电池的循环性能和倍率性能，这些结果成功表明通过电解液添加剂原位构筑亲锌位点能够有效延长锌负极的使用寿命，为设计水系锌离子电池电解液添加剂提供了一种新思路。

此外，软包电池性能的提升也进一步证明了改添加剂的实际应用价值。

图5 Zn-PANI/CF全电池性能测试。扣式电池的 (a) 循环性能与 (b) 倍率性能对比测试图；软包电池的 (c) 结构示意图及 (d) 充放电曲线。

文章链接

Engineering zincophilic sites on Zn surface via plant extract additives for dendrite-free Zn anode.

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.10.033

通讯作者简介

朱智强教授。

湖南大学化学化工学院教授、博士生导师，国家高层次青年人才计划入选者。分别于2010年和2015年在南开大学取得学士学位和博士学位，师从无机化学家陈军院士；2015年8月至2019年12月在新加坡南洋理工大学进行博士后研究，合作导师新加坡工程院院士陈晓东教授。多年来，一直从事新型电化学储能材料与器件设计领域的研究，特别是在多电子反应电极材料的反应机理、结构设计、表界面特性及功能电解液设计方面取得了突破性进展。2019年12月入职湖南大学化学化工学院。迄今为止，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., Adv. Funct. Mater.等能源材料化学领域旗舰期刊共计发表SCI论文42篇，总引用次数3500余次，H因子24。获授权中国专利4件。作为主要完成人，获2016年天津市自然科学一等奖、2020年高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖。

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