香港科技大学|赵天寿院士JMCA：通过三维有机骨架诱导均匀无枝晶锌金属沉积- 大数跨境

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香港科技大学|赵天寿院士JMCA：通过三维有机骨架诱导均匀无枝晶锌金属沉积

科学材料站

2020-09-23

导读：该项工作成功利用静电纺丝技术在铜箔上构建一层三维聚苯并吡唑（PBI）纳米纤维骨架来引导锌金属的均匀成核和沉积。具有丰富含氮官能团的PBI纳米纤维骨架不仅能够引导锌金属在铜基底表面均匀地成核，而且还通过

文章信息

一种用于水系二次电池的无枝晶锌负极

第一作者：简亲平

通讯作者：巫茂春*，赵天寿*

单位：香港科技大学

研究背景

当前，锂离子电池由于具有较高的能量密度和较好的循环寿命，已经被广泛应用在可移动电子产品以及电动汽车等领域。然而，其使用的易燃且有毒的有机电解液极易引发安全问题，这就需要开发其他更加安全高效的电池。

其中，由于锌金属负极具有较低的电极电位和较高的理论容量，成本低廉，环境友好，并且可在水系体系中稳定存在等突出优点，基于锌金属负极的水系二次电池被认为是具有广阔应用前景的电化学储能体系之一。然而，锌枝晶一直是制约锌基二次电池发展的瓶颈。

文章简介

近日，香港科技大学赵天寿院士团队在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A (影响因子：11.306) 上发表题为“A dendrite-free zinc anode for rechargeable aqueous batteries”的研究工作。

该项工作成功利用静电纺丝技术在铜箔上构建一层三维聚苯并吡唑（PBI）纳米纤维骨架来引导锌金属的均匀成核和沉积。具有丰富含氮官能团的PBI纳米纤维骨架不仅能够引导锌金属在铜基底表面均匀地成核，而且还通过电动传导效应促进锌离子的均匀传输，引导锌金属的均匀沉积，从而实现高度可逆、无枝晶锌金属负极。

结果表明，这种新开发的无枝晶锌金属负极具有很高的循环稳定性和库仑效率，并且与二氧化锰（MnO2）正极配对时，显著提高了全电池的循环寿命和性能。

该文章第一作者为香港科技大学博士研究生简亲平

巫茂春博士和赵天寿院士为本文通讯作者

图1.锌金属在不同基底上的沉积过程示意图，（a）在裸露的铜基底，锌离子集中在表面突出尖端附近，从而导致枝晶状锌金属的沉积生长；（b）在PBI纳米纤维骨架修饰的铜基底（PBI-Cu）上，锌离子均匀分布在三维PBI骨架内，促进均匀的锌金属沉积。

本文要点

要点一：通过静电纺丝的方法在铜基底上构建了具有丰富含氮官能团的三维聚苯并咪唑（PBI）纳米纤维骨架。

图2. （a）原始铜箔表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）在铜箔上静电纺丝PBI纳米纤维的示意图。（c）PBI纳米纤维骨架的SEM图像。（d）PBI纳米纤维的傅里叶红外转换（FTIR）光谱。

要点二：电化学测试结果表明，PBI纳米纤维骨架不仅提供了丰富均匀的锌沉积成核位点，而且通过电动传导效应促进了锌离子的均匀传输。

图3.（a）在非对称电池中（对电极为锌板），在PBI-Cu上和Cu基底上的锌沉积的成核过电势。（b）对称电池不同的电流密度的循环电压曲线，（c）不同电流密度下的过电势。Zn@Cu（d）和Zn@PBI-Cu对称电池（e）在不同温度下的电化学阻抗（EIS）Nyquist图。（F）Zn@PBI-Cu和Zn@Cu对称电池的Arrhenius曲线。

要点三：锌金属成核和沉积形貌的扫描电子显微镜（SEM）观测结果表明，PBI纳米纤维能够促进锌均匀致密地成核，并且引导锌均匀无枝晶地沉积在三维骨架内。

图4. 电流密度为1 mA cm-2时，面容量为0.1 mAh cm-2的锌沉积的SEM图像，（a，b）在Cu基底上和（c，d）稀疏的PBI纳米纤维骨架修饰的Cu铜基底上；沉积面容量为10 mAh cm-2时的SEM图像，在（e，f）裸露的Cu基底和（g，h）PBI-Cu基底上。

要点四：对称电池同时在大电流密度（10 和 20 mA cm-2）以及高面容量（5 mAh cm-2）下实现了优异的循环稳定性，表明PBI-Cu有效抑制了锌枝晶生长。

图5. Zn@PBI-Cu和Zn@Cu对称电池的恒电流循环性能，（a）电流密度为10 mA cm-2，面容量为1 mAh cm-2时；（b）电流密度为10 mA cm-2，面容量为5 mAh cm-2时；（c）电流密度为20 mA cm-2，面容量为5 mAh cm-2时。（d）Zn@Cu和（e）Zn@PBI-Cu电极在10 mA cm-2下100个循环后的SEM图像。

要点五：利用新开发的无枝晶金属锌负极（Zn@PBI-Cu）和二氧化锰（MnO2）组成的全电池展现出了优异的倍率性能和循环稳定性。

图6. Zn-MnO2全电池的性能。（a）电流密度为200 mA g-1时的充电和放电曲线;（b）不同的电流密度下的充放电曲线；（c）倍率循环性能；（d）1,000 mA g-1的长循环性能.

结论

在这项工作中，为了解决长期存在的锌枝晶生长问题，我们设计并构建了功能性多孔PBI纳米纤维骨架作为锌金属负极基底。这一独特的功能层不仅为金属锌沉积提供了均匀的成核位点，而且还有效促进了锌离子的均匀传输，从而引导锌金属均匀无枝晶地沉积在PBI多孔骨架内。结果表明，用Zn@PBI-Cu电极组成的对称电池在10 mA cm-2的电流密度下能够稳定循环超过1000次。与MnO2组成的全电池可以在2 A g-1的电流密度下比容量高达120 mAh g-1，并在1 A g-1电流下循环1000后基本没有容量衰减。

该策略不仅有效解决了难以控制的锌枝晶生长难题，并且可以应用于其他金属负极（如锂），这将极大促进下一代高能可充电金属电池的发展。

文章链接

A dendrite-free zinc anode for rechargeable aqueous batteries.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta07348b#!divAbstract

通讯作者介绍

巫茂春博士

2014年本科毕业于华南理工大学化学与化工学院，2018年博士毕业于香港科技大学机械与航空航天系，随后留在课题组从事博士后工作。现为香港科技大学机械与航空航天系研究助理教授。主要从事新型电池系统（液流电池、离子电池等）前沿课题的相关研究，已在Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources, Applied Energy等国际学术刊物上发表研究论文50余篇，被引用1400余次，H因子20。

赵天寿教授

中国科学院院士、香港科技大学张英灿工程及环境学冠名讲席教授、机械及航空航天工程系讲座教授、香港科大能源研究院院长、香港科大高研院资深学人、美国机械工程师学会 Fellow、英国皇家化学学会 Fellow、国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者讲座教授。

曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、两次国家自然科学二等奖、香港科大工程学杰出研究成就奖。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy & Environmental Science顾问编委。长期致力热质传递理论和电池储能技术的研究，在国际学术期刊发表SCI论文360余篇，SCI引用18000余次，h-因子达73。

第一作者介绍

简亲平

2018年本科毕业于华中科技大学能源与动力工程学院，现为香港科技大学机械与航空航天系博士研究生。主要研究方向为水系锌基二次电池。

【课题组介绍】

http://zhaogroup.ust.hk/