复旦叶明新教授&沈剑锋教授课题组AEM综述：无枝晶锌负极策略研究进展- 大数跨境

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复旦叶明新教授&沈剑锋教授课题组AEM综述：无枝晶锌负极策略研究进展

科学材料站

2020-07-04

导读：本综述中，作者们首先深入探究了金属锌化学，然后从调节Zn2+的配位环境、均匀化界面电场和诱导锌的沉积三方面研究测略对锌负极保护进行总结。最后，对稳定锌负极的设计提出了观点和建议，有助于水性可充电锌离子

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水系锌离子电池无枝晶负极策略

作者：曹子宜，庄沛源，张翔，叶明新*，沈剑锋*，Pulickel M. Ajayan

单位：复旦大学，Rice University（美国）

导读

近日，由于水系锌离子电池的发展，金属锌负极的研究受到广泛的关注。基于以上现状，复旦大学叶明新教授，沈剑锋教授课题组在国际知名杂志Advanced Energy Materials上发表题为“Strategies for Dendrite-Free Anode in Aqueous Rechargeable Zinc Ion Batteries”的综述，其中博士研究生曹子宜同学为第一作者。

金属锌因其氧化还原电势低，比容量大，成本低，无毒性等优势而受到广泛关注，特别是在温和条件下水系可充电锌离子电池负极中应用。由于存在一些副反应以及枝晶的生长，锌负极的库伦效率较低。因此，为了满足电池实际生产的需求，确保电极/电解质界面的稳定性对于延长电极寿命和循环稳定性至关重要。

最近研究者们在设计高性能锌负极方面做出了巨大的努力。但是，锌沉积/溶解的内在机制仍不清晰，这大大限制了其潜在的应用。本综述中，作者们首先深入探究了金属锌化学，然后从调节Zn2+的配位环境、均匀化界面电场和诱导锌的沉积三方面研究测略对锌负极保护进行总结。最后，对稳定锌负极的设计提出了观点和建议，有助于水性可充电锌离子电池的研究进程。

要点解析

要点一: 金属锌化学

图1.

a)水性电解液中Zn2+的配位环境。

b）Zn/H2O系统的Pourbaix图。

c）包含HER超电势变化的Zn/H2O系统的Pourbaix图。

d）不同配位环境的转移电阻比较。

e）锌负极性能衰减机理示意图

在水溶液中，Zn2+主要由水分子进行配位，从而形成溶剂化结构（图1a）。该结构由于存在微弱的电子转移，导致其特别容易受到溶液pH值的影响，形成不同的锌化合物（图1b）。甚至也伴随H2的产生等（图1c）。而且该溶剂化结构也会导致较大的电荷转移电阻（图1d）。从锌负极角度看，不均匀的界面电场和成核位点也会导致锌枝晶、副产物等产生，严重影响锌负极性能（图1e）。

要点二: Zn2+配位环境调控

电解液的组成对Zn2+的配位环境具有较大的影响。利用高浓度电解质以及界面去溶剂化策略可以有效地减少水分子的配位数目，进而降低去溶剂化能量，而且利于抑制锌负极表面副产物的产生。但是过高浓度会降低离子的迁移速度，不利于锌离子电池高倍率下工作。因此我们要探索新的策略，解决与配位水分子相关的问题。

要点三: 均匀化界面电场

在锌负极表面发生的反应主要是锌的沉积与溶解。我们知道在储锌的过程中电场是这一反应过程的主要驱动力，因此电场的均匀性对于锌的成核、生长过程具有重要的影响。表面导电性涂层及三维锌负极的构建是促进锌负极稳定的重要策略。但是表面涂层额外质量的增加会降低电池的能量密度，我们需要进一步优化均匀化界面电场的策略。

要点四: 诱导锌沉积

在锌负极表面不同位点，Zn的成核过电位有所区别。在成核过点位低的位置，Zn的成核，生长速度较快；相反则不利于Zn的成核，生长。不均匀地生长会形成枝晶，甚至会刺穿隔膜发生短路。采取诱导Zn沉积的策略主要有：表面极性基团、亲锌宿主、静电屏蔽、外延生长和优化离子流等。

文章链接:

Strategies for Dendrite-Free Anode in Aqueous Rechargeable Zinc Ion Batteries.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202

课题组相关研究工作：

[1] Localized Ostwald Ripening Guided Dissolution/Regrowth to Ancient Chinese Coin‐shaped VO2 Nanoplates with Enhanced Mass Transfer for Zinc Ion Storage

Ziyi Cao Lipeng Wang Hong Zhang Xiang Zhang Jiangwen Liao Juncai Dong Jiangyue Shi Peiyuan Zhuang Yudong Cao Mingxin Ye* Jianfeng Shen* Pulickel M. Ajayan.

First published: 29 April 2020 Advanced Functional Materials

https://doi.org/10.1002/adfm.202000472

[2] An in situ electrochemical oxidation strategy for formation of nanogrid-shaped V3O7·H2O with enhanced zinc storage properties

Ziyi Cao, Hang Chu, Hong Zhang, Yuancai Ge, Raizel Clemente, Pei Dong, Lipeng Wang, Jianfeng Shen* Mingxin Ye* and Pulickel M. Ajayan.

First published: 15 Oct 2019 Journal of Materials Chemistry A

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA09116E#!divAbstract