【原】谷晓俊/楼雄文Angew.：亲锌界面阻止枝晶生长与副反应实现稳定的锌金属负极！

崛步化学 2023-09-26 发布于北京

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研究内容

个人和工业应用中日益增长的能源需求刺激了对高效、经济的可持续能源存储技术的追求。在各种候选电池中，水性锌离子电池(AZIBs)由于其有趣的优点，包括高安全性、成本效益、环境友好性和理想的功率密度，最近受到了广泛的研究兴趣。然而，锌金属负极(ZMAs)存在锌枝晶生长猖獗和不良副反应，阻碍了ZMAs的实际应用。因此，构建多功能界面以抑制猖獗的锌枝晶生长和有害的副反应对锌负极至关重要。

内蒙古大学谷晓俊和香港城市大学楼雄文证明了一种植酸(PA)-ZnAl配位化合物是一种稳定锌负极的多功能界面层。亲锌的PA-ZnAl层可以控制Zn²⁺的流动，促进快速的脱溶动力学，确保均匀的Zn沉积和无枝晶形态。坚固的PA-ZnAl保护层可以有效地抑制析氢反应和副产物的形成，有助于实现具有高库仑效率的可逆Zn电镀/剥离。Zn@PA-ZnAl对称电池在5 mA cm^-2和5 mAh cm-²下测试显示出650小时的延长寿命。相关工作以“Zincophilic Interfacial Manipulation against Dendrite Growth and Side Reactions for Stable Zn Metal Anodes”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1. 作者在Zn的表面上构建了具有高Zn亲和力的植酸(PA)-ZnAl保护层(Zn@PA-ZnAl)可延长ZMAs的寿命。PA-ZnAl界面层可以减少Zn的成核势垒，加速水合Zn²⁺的去溶剂化过程，提高Zn²⁺的迁移数。

要点2. 由于Al³⁺/Al的氧化还原电位(-1.66V vs RHE)低于Zn²⁺/Zn，引入的Al³⁺可以作为静电屏蔽位点，排斥尖端上的Zn²⁺并消除“尖端效应”，有助于无枝晶和致密的Zn沉积。此外，电子绝缘的PA-ZnAl涂层显示出良好的抗腐蚀能力，可以抑制HER和副产物的形成，从而显著提高了Zn@PA-ZnAl电极。

要点3. 使用Zn@PA-ZnAl电极在不同的电流密度下表现出令人印象深刻的倍率和循环性能。Zn@PAZnAl对称电池在5 mA cm^-2和5 mAh cm^-2下测试显示出650小时的延长寿命。此外，Zn@PA-ZnAl负极与MnO₂正极配对以制备Zn离子全电池，即使在低负容量/正容量(N/P)比的情况下测试，该电池也表现出良好的循环稳定性。

研究图文

图1. PA-ZnAl的（a）FESEM、（b）TEM和（c）HAADF-STEM和元素图像。（c）比例尺：200 nm。（d）Zn@PA-ZnAl的横截面FESEM。（e）水滴在Zn箔及Zn@PA-ZnAl上的接触角。PA-ZnAl的（f）Al 2p和（g）P 2p XPS。

图2.（a）Zn//Ti，Zn@PA-Zn//Ti以及Zn@PA-ZnAl//Ti不对称电池在10 mA cm^-2和3 mAh cm^-2下测试的CE图。基于裸Zn、Zn@PAZn和Zn@PA-ZnAl的对称电池在（b）2 mA cm^-2和2 mAh cm^-2和（c）5 mA cm^-2和5 mAh cm^-2下测试的循环性能，（c）插图：相应的电压分布。（d）在2、3、5、10和2 mA cm^-2_，容量为2 mAh cm^-2下测试的对称电池的倍率性能。

图3.（a）Zn@PA-ZnAl电极的XRD。（b）Zn@PA-ZnAl对称电池在2 mA cm^-2和2 mAh cm^-2的循环测试后的Nyquist图。裸Zn和Zn@PA-ZnAl电极的（c）拟合Arrhenius方程曲线并计算Ea、（d）不同电流密度下的成核过电位、（e）Zn²⁺迁移数以及（f）在1 M Na₂SO₄溶液中以2 mV s^-1测试的LSV。

图4.（a-c）Zn@PA-ZnAl电极在具有不同面积容量的镀锌后的横截面FESEM。（d）Zn@PA-ZnAl电极用容量为20 mAh cm^-2的Zn电镀后的FESEM。（a-d）中去除PA-ZnAl涂层。裸Zn在容量为10 mAh cm^-2的Zn电镀后的（e）横截面和（f）顶视图FESEM。（g）裸Zn和（h）Zn@PA-ZnAl电极上Zn沉积过程示意图。

图5.（a）基于Zn@PA-ZnAl//MnO₂和Zn//MnO₂电池放电的倍率性能。（b）Zn@PA-ZnAl//MnO₂电池在不同的电流密度下的放电-充电电压曲线。Zn@PA-ZnAl//MnO₂和Zn//MnO₂电池的（c）奈奎斯特曲线和（d）在1 A g^-1下测试的循环性能。（e）具有高质量负载MnO₂正极(9.5 mg cm^-2)的Zn@PA-ZnAl//MnO₂电池在0.3 A g^-1下测试的循环性能。