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JMCA：调控去溶剂化动力学可实现稳定的锌金属负极

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2020-08-30

导读：调控去溶剂化动力学可实现稳定的锌金属负极第一作者：Zhen Hou通讯作者： Biao Zhang* 陆子恒

调控去溶剂化动力学可实现稳定的锌金属负极

第一作者：Zhen Hou

通讯作者：Biao Zhang* 陆子恒*

单位：香港理工大学，中国科学院深圳先进技术研究院

研究背景

低成本和高安全性的水性Zn离子电池已被认为是锂离子电池的有前途的替代品，只要可以开发出稳定的Zn金属负极即可实现。而枝晶生长和低库仑效率（CE）是影响高级锌金属负极设计的两个主要问题。

文章简介

近日，香港理工大学Biao Zhang副教授与中国科学院深圳先进技术研究院陆子恒助理研究员合作，在国际顶级期刊Journal of Materials Chemistry A (影响因子：11.301) 上发表题为“Tailoring Desolvation Kinetics Enables Stable Zinc Metal Anodes”的研究工作。

该工作受到电镀行业络合剂的启发，乙腈（AN）被建议作为一种电解质添加剂来指导Zn的平稳生长。互补的理论和实验研究表明，Zn2+与混合的H2O/AN溶剂之间增强的分子间相互作用导致集流体上吸附原子的过饱和。因此，Zn的均匀成核和平滑生长能够实现高达1000个循环的出色稳定性，平均CE高达99.64％。在应用方面，在电解质中加入络合剂与正极完全相容，同时保持不燃性，以确保安全运行。溶剂化化学调节策略提供了稳定锌金属负极的有希望的途径。

该文章第一作者为Zhen Hou

Biao Zhang副教授陆子恒助理研究员为本文共同通讯作者。

要点解析

要点一：在HWAE-10中， AN能够取代Zn(H2O)6中的多达3个H2O2+复杂且显着改变了去溶剂化动力学，从而影响Zn的电沉积行为

图1

（a）Zn(H2O)x(AN)6-x 2+配合物的解离能；

（b）Zn(H2O)x(AN)6-x 2+的伪相图。黑点和红色三角形分别代表复合物最稳定和不稳定的构型。

（c）HWAE-0和（d）HWAE-10的AIMD模拟的快照。

要点二：高电位与强溶剂化有关，混合电解质将导致Zn原子过饱和吸附在表面上，导致增加成核尺寸和光滑的Zn沉积

图2

（a）是在0.1 M ZnSO4和0.1 M ZnSO4中，在10％AN下的扫描速率为20 mV/s的CV。

（b）在HWAE-0和HWAE-10中使用Zn/Cu电池形成核的超电势；

（c）使用HWAE-10中的Zn/Cu电池在不同温度下的奈奎斯特图；

（d）在HWAE-0和HWAE-10中使用Zn/Cu电池从奈奎斯特图获得的活化能。

要点三：HWAE-10 电沉积在某种程度上有助于实现高度可逆的锌沉积/剥离，同时保持光滑的表面

图3

（a）示意图说明了HWAE-0和Zn中的Zn成核和HWAE-10生长过程；Zn以1 mA/cm2沉积在Cu集电器上的SEM图像，数量分别为0.0002 mAh/cm2（0.72 s），0.002 mAh/cm2（7.2 s），0.005 mAh/cm2（18 s）和1 mAh/cm2 （3600 s），并在HWAE-0（b）和HWAE-10（c）中以2 mA /cm2进行50次循环后的循环容量为2 mAh/cm2。图和插图中的比例尺分别代表5μm和2μm。

结论

在电沉积工业中，络合剂通常用作增白剂，以调节金属离子的溶剂化结构，从而实现平滑的涂层。受此机制的驱使，我们通过采用AN作为电解质中的助溶剂来操纵Zn2+的溶剂化结构。

实验和模拟结果均表明，AN的加入通过置换包围Zn2+的一部分水来改变溶剂化。这种独特的溶剂化结构提高了成核的超电势，可改善成核位置，从而导致致密且均匀的Zn生长。因此，在2 mA/cm2的情况下，DOD为50％时，Zn的稳定沉积/剥离性能达到〜650 h，DOD为50％，在相同的测试条件下，其沉积时间比不使用络合剂的时间长五倍。

此外，Zn/Cu电池在2 mA/cm2的循环容量和2 mAh/cm2的HWAE-10中，在1000个循环（等于2000小时）中表现出平均高CE达99.64％。正极通过Zn/MnO2全电池检查得到验证，即使负极侧的锌金属含量有限，它也具有出色的循环稳定性。通过优化Zn2+的溶剂化结构，这项工作为稳定Zn金属负极开辟了一条可行的途径。

文章链接:

Tailoring Desolvation Kinetics Enables Stable Zinc Metal Anodes

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta06622b#!divAbstract