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孙永明教授CEJ ：纳米孔结构调控局部浓度增强电解液实现高可逆水系锌金属电池
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孙永明教授CEJ ：纳米孔结构调控局部浓度增强电解液实现高可逆水系锌金属电池

孙永明教授CEJ ：纳米孔结构调控局部浓度增强电解液实现高可逆水系锌金属电池 科学材料站
2021-04-20
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导读：本文开发了一种三维纳米多孔锌金属电极的制备方法，在惰性气体环境中利用金属锂和金属锌的固相接触合金化反应形成LiZn合金，脱合金化反应后即得纳米多孔锌金属电极。


文章信息

纳米孔结构调控局部浓度增强电解液实现高可逆水系锌金属电池
First published: March 18, 2021
第一作者：肖润，蔡钊
通讯作者：孙永明*
单位：华中科技大学

研究背景

水系锌金属二次电池（Rechargeable aqueous zinc metal batteries，RAZMBs）由于锌资源丰富、成本低、安全性高等特点，在大规模可再生能源存储领域极具应用前景。
然而，锌金属的不均匀电化学沉积和腐蚀析氢副反应等问题导致电极电化学可逆性较差，限制着水系锌二次电池的实际应用。因此，设计和制备电化学稳定和高度可逆性的锌金属负极势在必行。

文章简介

基于此，华中科技大学武汉光电国家研究中心孙永明教授课题组在国际化工类顶级期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Localizing Concentrated Electrolyte in Pore Geometry for Highly Reversible Aqueous Zn Metal Batteries”的研究工作。
在这项研究中，开发了一种三维纳米多孔锌金属电极的制备方法，在惰性气体环境中利用金属锂和金属锌的固相接触合金化反应形成LiZn合金，脱合金化反应后即得纳米多孔锌金属电极。通过控制合金化反应温度，可实现多孔锌金属电极的孔径尺寸的精确调控（20-500 nm）。
进一步通过精确孔结构的空间电荷效应，形成了孔隙界面局部浓度增强电解液。在电池电化学循环中，该界面局部浓度增强电解液抑制了锌金属的腐蚀析氢副反应，促进锌金属的均匀电化学沉积，从而有效提高锌电极的电化学可逆性。

导师专访

该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。
锌金属负极的低电化学可逆性限制了水系锌金属电池的大规模应用，发展电化学可逆性优异的新型锌金属电极材料是当前的锌金属电池的重要研究方向。
本研究中我们利用简单的Li-Zn合金化反应制备孔径尺寸可控的纳米多孔锌金属电极，并利用其空间电荷效应实现了金属-电解液界面处的局部浓度增强电解液，所设计的纳米多孔锌金属电极具有较大的电化学活性比表面，且界面处的锌离子浓度提高，自由水含量降低，都有利于实现高度电化学可逆的锌金属电极。

图1 纳米多孔锌金属电极在水相ZnSO4电解液中的界面离子浓度理论预测。

本文要点

要点一：本文提出了微区局部浓度增强电解液的概念。通过理论模拟预测，纳米多孔锌金属电极的表面双电层电容由于空间电荷效应产生金属阳离子的富集，从而实现界面局部浓度增强电解液。
所设计金属-电解液界面微区浓度增强电解液有望克服使用高浓度电解质可能带来的高成本、高粘度和低离子电导率的问题。
图2 纳米多孔锌金属电极的制备和表征。

要点二：利用Li-Zn合金反应实现孔径尺寸精确可控的纳米多孔锌金属电极。在惰性气体环境中利用金属锂和金属锌的固相接触合金化反应形成LiZn合金，随后通过脱合金化反应后即可获得纳米多孔锌金属箔。
通过对合金化反应温度的控制（室温至200℃），实现了纳米多孔锌金属电极孔径尺寸的精确可控（20-500 nm）。
图3 纳米多孔锌金属电极的电化学性能。

要点三：纳米多孔锌金属电极的高度电化学可逆性。所设计的纳米多孔锌金属电极在1mA cm-2/1mAh cm-2，25圈和50h静置结合的对称电池的电化学循环测试中表现出优异的循环稳定性（大于750 h），优于传统锌金属箔电极（约30h）。
纳米多孔锌金属负极与NaVO3正极匹配组装的全电池初始容量可达200 mAh g-1，且1500圈循环后其容量剩余75%。相同测试条件下传统锌金属电极组装的全电池在600圈左右即发生短路。

导师专访

您对该领域的今后研究的指导意见和展望
传统锌金属电极的电化学可逆性较差具体表现为不均匀电化学沉积行为和腐蚀析氢副反应。电化学高度可逆锌金属电极材料的设计应从同时抑制锌金属不均匀沉积和腐蚀析氢副反应的角度出发，提升锌金属负极的电化学可逆性，最终提升水系锌金属电池的电化学性能。

第一作者专访

1. 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可再生能源存储领域极具应用前景，然而，锌金属的不均匀电化学沉积和腐蚀析氢副反应等问题导致电极电化学可逆性较差，限制了水系锌金属电池的大面积应用。
我们从这个角度出发，开发一种促进锌金属均匀沉积，同时实现抗腐蚀的高性能锌金属电极以解决上述问题。

2. 该实验难点有哪些？
该实验的难点主要在于材料的表征，例如电极纳米孔结构尺寸的统计和界面处局部高浓度电解液的确认。一方面，在拍摄多孔锌电极的SEM图时，会出现电压太高而打坏样品的情况，导致图片清晰度较低。
另一方面，在拉曼光谱探究纳米孔内电解液离子对的配位模式时，要精确的把控测试点的位置，反复进行测试。

3. 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来制作了纳米多孔锌负极，然后对纳米多孔锌金属电极中的孔隙尺寸进行精确调控（<40 nm），实现纳米孔结构内的空间电荷效应，从而形成孔隙界面局部浓度增强电解液。
该界面局部浓度增强电解液结构抑制了常规锌金属的腐蚀析氢反应等副反应，有利于促进锌金属的均匀沉积，从而有效提高纳米多孔锌电极的电化学循环稳定性。

文章链接

Localizing concentrated electrolyte in pore geometry for highly reversible aqueous Zn metal batteries
https://authors.elsevier.com/sd/article/S1385-8947(21)01228-6

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。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。孙永明教授在新型储能材料与技术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60余篇。其中发表第一作者或通讯作者论文30+篇，包括Nature Energy （2篇）、Nature Communications（1篇）、 Journal of the American Chemical Society（1篇）、Advanced Materials （3篇）、Advanced Functional Materials（3篇）、Energy & Environmental Science（1篇）、Joule（1篇）、Chem（1篇）、Nano Letters（6篇）、ACS Nano（2篇）、Advanced Energy Materials（1篇）、Energy Storage Materials（5篇）、Nano Energy（1篇）、Nano Research（2篇）、Chemical Engineering Journal（1篇）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12000次，H因子为49。

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3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Nature Communications (1)、Journal of the American Chemical Society (1)、Advanced Materials (1)、Advanced Functional Materials (2)、Joule (1)、Nano Letters(3)、ACS Nano(1)、Energy Storage Materials (3)、Chemical Engineering Journal（1篇）、Nano Research（1篇）、Journal of Energy Chemistry（1篇）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。


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致谢

感谢本文作者对该报道的大力支持。

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