【作者解析】中科院蒲雄, 胡卫国EnSM：锌负极无枝晶生长策略- 大数跨境

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【作者解析】中科院蒲雄, 胡卫国EnSM：锌负极无枝晶生长策略

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2020-05-21

导读：本文报道了一种具有双通道3D多孔结构用于可充电Zn2+电池以实现锌负极无枝晶生长。稳定的的双通道用于电子/离子的转移，有效的改善固体和电解质间的界面问题，也使阳极具有快速的动力学特性。

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双通道3D多孔结构用于可充电Zn2+电池以实现锌负极无枝晶生长

中科院北京纳米能源与系统研究所

导读

锌基电池由于具有许多优点被广泛关注，包括成本低，环境友好等。然而，由于锌金属电极在水溶液中易发生腐蚀、钝化以及枝晶的生成，使得锌基电池的容量和寿命严重降低。

基于此，中科院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员、胡卫国研究员等人就抑制锌枝晶的生长问题在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Dendrite-free Zn anode with dual channel 3D porous frameworks for rechargeable Zn batteries”的研究性文章，郭文斌是本文的第一作者。

本文报道了一种具有双通道3D多孔结构用于可充电Zn2+电池以实现锌负极无枝晶生长。稳定的的双通道用于电子/离子的转移，有效的改善固体和电解质间的界面问题，也使阳极具有快速的动力学特性。在对称电池测试中，多孔锌的稳定剥离/电镀循环时间要比纯锌片长将近7倍（从220 h至1400 h），并显著的降低了极化电位。此外，组成的Zn-V2O5电池展现出稳定的循环性能，可实现较高的能量密度（375.8 Wh kg-1）和功率密度（5364 W kg-1）。

关键词

锌离子电池；枝晶生长；可充电水系电池；金属电极

背景简介

1. 研究意义及挑战

近来，水系离子电池由于安全性能高，自然资源丰富，环境友好而受到广泛的关注，其中锌负极由于具有较低的氧化还原电位和高的理论容量等优点，使得水系Zn2+电池成为最有前景的电池体系。尽管经过快速的发展和技术的更新，但是仍然存在一些挑战需要克服，比如需要对于能量存储机制的深入研究，寻找新颖的高容量正极材料，获得使锌离子快速迁移的电解质，以及得到高稳定性的锌负极，尤其在重复剥离/电镀的循环过程中，锌负极会造成脱落或者形成枝晶，导致电池短路和损坏，同时基于多种金属负极的电池系统也受限于金属负极的稳定性，因此获得稳定可逆的抑制枝晶的金属负极将是一个重要的研究热点。

2. 研究现状

现阶段基于锌枝晶的生长的抑制策略主要从以下方面入手。

一方面是在电解液中加入合适的添加剂。适当的添加剂能够有效的抑制锌枝晶的生成，并且提高其库伦效率。但该方式对不同电池体系不能完全适应，选择性有限。一方面是在锌负极表面覆盖保护层，这能一定的防止锌负极的腐蚀和脱落，但是保护层的存在会加大界面电阻，且涂层易脱落，并且增加电池总体质量而造成从能量密度的减小。

另一方面，可以构建稳定的3D结构骨架作为锌负极直接参与反应，能够有效的缩短离子/电子传输距离，加快反应速率，但是目前该方法制备3D结构较为复杂，缺少简单快速的制备方法。

3. 研究内容

本文中，作者提出了一种简便的方法来制备具有双通道的3D多孔锌电极，当在水系电解质中进行对称电池性能测试时，由多孔锌组装而成的对称电池显示更稳定的电镀/剥离循环，并且始终具有较低的极化电位。此外，组装多孔锌Zn-V2O5电池也具有更高的放电容量，更好的倍率能力和循环性能。这些出色的性能表明，制备出3D结构的金属电极将拓展到其他金属离子电池中，并起到一定的借鉴作用。

要点介绍

要点1

图1展示了双通道多孔锌和纯锌片的重复剥离/电镀的行为示意图。一旦锌突起在纯锌片上异质成核，集中的电场会加剧锌枝晶的生长。相反，具有连续导电骨架的多孔锌具有相对更均匀的电场分布和成核位点。因此，锌会优先在腔体内部沉积，而不是锌突起位置上。同时，双通道多孔锌为离子和电子提供了更为高速的路径，有效的改善固体和电解质的界面问题，降低了局部电流密度，缓冲了体积变化，从而抑制了枝晶的不可逆生长。

Figure 1. Schematic comparison of repeated Zn tripping/plating behaviors of pristine Zn foil and DCP-Zn. The 3D porous structure and dual-channel skeletons endow the DCP-Zn with suppressed dendrite growth and promoted kinetics.

要点2

图2在双通道多孔锌和纯锌片的对称电池性能分析和对比中，结果表明，在不同的电流密度和容量下（0.5 mA cm-2/0.1 mAh cm-2, 3 mA cm-2/0.1mAhcm-2, 5 mA cmd-2/0.1 mAh cm-2, 5 mA cm-2/10 mAh cm-2）多孔锌均展现出更稳定的锌剥离/电镀曲线和更长的循环寿命，在不同的倍率下也表现出更低的极化电位。同时通过循环伏安和交流阻抗测试发现，多孔锌相比于纯锌具有高动力学和低界面电阻的优势，表明其具有更稳定的循环过程。

Figure 2. Galvanostatic cycling performances of symmetrical cells. Stripping/plating performance of DCP-Zn-30 and pristine Zn foil cells with 0.1 mAh cm−2 cutoff capacity at (a) 0.5 mA cm−2, (b, d) 3~10 mA cm−2, (c) 10 mAh cm−2 cutoff capacity at 5 mA cm−2. Insets in (a) are voltage profiles of DCP-Zn (red) and Zn foil (black) cells after different cycles. (e) CV curves at a scanning rate of 10 mV s-1 in the potential range of -0.5 to 3 V (vs. Zn/Zn2+). (f) Nyquist plots of both symmetrical cells before and after 100 cycles.

文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829720301665

导师简介:

蒲雄，男，青年研究员，博士生导师。2007年、2010年在西安交通大学分别获得工学学士和硕士学位，2014年于美国德克萨斯农工大学获得博士学位。同年，加入北京纳米能源与系统研究所，2017年6月晋升为青年研究员。2017年入选中国科学院青年创新促进会会员。主要从事可穿戴柔性能源与电子材料/器件，包括基于功能纺织物的发电、储能、传感纤维和织物，以及基于多功能聚合物弹性体的发电、传感电子皮肤；此外也从事能源存储材料与器件的研究，包括锂硫电池、超级电容器、和锌电池等。现已在Sci. Adv., Adv. Mater., Adv. Energy Mater. , Adv. Funct. Mater. , Nano Energy, ACS Nano等SCI期刊发表论文50余篇，其中一作/通讯作者36篇，ESI高被引文章4篇；出版国际专著2章；主持/参与国家项目3项；获授权美国专利1项，中国发明专利1项，申请中国发明专利5项。

胡卫国，男，研究员，博士生导师。2007年于中国科学院半导体研究所获博士学位。其后任日本三重大学(Mie Univ.)、神户大学(Kobe Univ.)、东北大学(Tohoku Univ.)博士后和助理教授。目前研究方向为半导体材料外延、压电(光)电子器件研制和模拟、以及新能源器件。迄今为止在Science advances、Advanced Materials、ACS Nan、Nano Energy等学术期刊发表论文50余篇，在IEDM等40多个学术会议上报告研究成果。