阿德莱德大学|乔世璋教授 AEM：水性电池中锌金属负极基体上亲锌位点的反应机理- 大数跨境

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阿德莱德大学|乔世璋教授 AEM：水性电池中锌金属负极基体上亲锌位点的反应机理

科学材料站

2021-01-23

导读：这项工作采用多种原位和外原位技术对亲锌位点的反应机理进行研究。通过使用碳基体作为模型系统，研究人员表明了亲锌位点的反应关键是亲锌位点和锌离子之间的成键

文章信息

水性电池中锌金属负极基体上亲锌位点的反应机理

First published: January 18, 2020

第一作者：谢昉曦

通讯作者：乔世璋*

单位：阿德莱德大学

研究背景

锌金属阳极（ZMAs）在水性Zn离子电池（ZIBs）中至关重要。在典型的充电/放电过程中，Zn在ZIBs中的电荷存储依赖于在ZMAs上进行可逆的电化学镀锌/剥离。这种可逆过程导致锌枝晶的形成。锌枝晶会刺穿电池隔膜并引起内部短路，缩短了锌基电池的循环寿命并限制了其实际应用。因此，控制锌枝晶的形成对于延长电池寿命至关重要。

至今，人们已经在控制锌枝晶的形成方面进行了大量研究，其中一个最显著的控制锌枝晶生长的方法就是通过引入亲锌位点来调控锌枝晶的生长，但是亲锌位点的具体机理仍然有待研究。

文章简介

近日，阿德莱德大学教授乔世璋教授团队在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Mechanism for Zincophilic Sites on Zinc‐Metal Anode Hosts in Aqueous Batteries”的研究工作。

这项工作采用多种原位和外原位技术对亲锌位点的反应机理进行研究。通过使用碳基体作为模型系统，研究人员表明了亲锌位点的反应关键是亲锌位点和锌离子之间的成键，这两者之间的键合调控了初始成核位点的分布，从而抑制了锌枝晶的生长。

图1主体为外原位高分辨球差电镜对锌在碳基底上沉积的过程的研究，可以看到锌在碳基底上的沉积遵循锌单原子位点到锌团簇，然后再形成多孔锌网络的路径。

图2，密度泛函理论计算结果及合成表征

要点一：使用密度泛函理论（DFT）计算进行预测，计算中证明氮位点的与锌结合的能力比碳位点更强，适合作为亲锌位点引入。

要点二：球差电镜的元素分布和X射线近边吸收精细结构表征证明了空心球中氮位点的存在。

图3，外原位表征和机理推测

要点一：氮的外原位X射线近边吸收精细结构证明了N的主要存在形式从吡啶氮变成了石墨氮，证明了吡啶氮与锌离子的键合；而在碳的外原位X射线近边吸收谱中，氮相关的峰的显著消失也证明了氮位点是主要的反应位点。

要点二: 原位拉曼谱中吡啶氮对应的峰随着锌沉积量的增加逐渐消失，证明吡啶氮在镀锌后逐渐减少，同样证明了吡啶氮是关键的反应位点。

要点三：带有氮位点的基底上枝晶的出现较少，而纯碳基底上出现了较多的枝晶，证明引入氮位点后对枝晶生长有抑制作用。

要点四：基于上述观察，作者推测的亲锌位点的工作机理是亲锌位点引导了锌的初始成核位点的宽泛分布，从而减缓了锌枝晶的形成。

图4，锌沉积性能测试和全电池性能表征

要点一：无论是对称电池和非对称电池的性能测试中，引入了氮位点的基体的镀锌性能都比起纯碳基体的要好。

要点二：该基体镀锌后可以组装成电解式锌锰电池并成功给手机充电。

文章链接

Mechanism for Zincophilic Sites on Zinc‐Metal Anode Hosts in Aqueous Batteries

https://doi.org/10.1002/aenm.202003419

通讯作者介绍

乔世璋教授，现任澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料系纳米技术首席教授，

主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、光催化、电池等。他作为通讯作者在Nature, Nat. Energy, Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater. 等国际顶级期刊发表学术论文超过430篇，引用超过62500次，h指数为128 (Web of Science数据)。同时，乔教授拥有多项发明专利，并从工业界和澳大利亚研究理事会（ARC）获得研究经费超过1400万澳元。乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志 Journal of Materials Chemistry A和Materials Advance 副主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/ 汤姆森路透（Thomson Reuters）化学及材料科学两个领域的高被引科学家。