【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所胡林華研究員團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池(AZIBs)電解液研究方面取得了新進(jìn)展。他們通過在電解液中引入親鋅性馬來酸鈉添加劑，成功地改變了鋅電極的表面生長(zhǎng)，從而顯著提高了電池的充放電可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性。這一研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊 Advanced Functional Materials 上。
 

　　水系鋅離子電池作為一種環(huán)境友好、安全可靠、成本低廉的儲(chǔ)能系統(tǒng)，備受關(guān)注。然而，鋅枝晶的生長(zhǎng)問題一直是制約其商業(yè)化的主要障礙。枝晶生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電池的可逆性降低，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致電池短路。
 

　　金屬鋅具有六方密排的晶體結(jié)構(gòu)，其中(002)、(101)和(100)晶面是其晶體學(xué)特征的主要組成部分。在此次研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，鋅(002)晶面具有光滑的原子排列，且原子密度大、表面能低，這導(dǎo)致界面電荷密度均勻，原子結(jié)合緊密，有利于Zn2+的均勻沉積和更好的抗腐蝕能力。相比之下，鋅(101)和(100)面的原子排列不光滑，界面電荷分布不均勻，這增加了枝晶生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。
 

　　基于這一發(fā)現(xiàn)，研究人員構(gòu)建了一種誘導(dǎo)Zn(002)織構(gòu)同質(zhì)外延電沉積的添加劑電解液策略。通過馬來酸鈉(DMA)的吸附調(diào)節(jié)，成功誘導(dǎo)了Zn(002)織構(gòu)的生長(zhǎng)，并抑制了副反應(yīng)的發(fā)生。在嚴(yán)格的電鍍/剝離循環(huán)測(cè)試下，使用這種添加劑的Zn//Zn對(duì)稱電池表現(xiàn)出了超過3200小時(shí)的循環(huán)穩(wěn)定性能。即使在極端條件下，如30 mA cm-2和30 mAh cm-2，包含馬來酸鈉的Zn//Zn對(duì)稱電池仍能保持120小時(shí)的穩(wěn)定循環(huán)壽命。
 

　　此外，使用改性電解液的Zn//Cu電池在穩(wěn)定循環(huán)3000次后，平均庫倫效率高達(dá)99.81%。而Zn//NH4V4O10扣式電池在5 A g-1下循環(huán)10000次后容量保持率仍為92.3%。更令人振奮的是，即使在低N/P比為8.5:1的情況下，Zn//NH4V4O10全電池依然可以穩(wěn)定循環(huán)超過5000次，這是普通電池的三倍以上。
 

　　此次研究的成功在于通過吸附馬來酸鈉分子層對(duì)界面鋅離子在不同晶面的遷移行為進(jìn)行調(diào)控，從而誘導(dǎo)Zn(002)晶面的生長(zhǎng)。這為在分子水平上實(shí)現(xiàn)鋅負(fù)極優(yōu)勢(shì)織構(gòu)生長(zhǎng)提供了一種有前景的策略，并有望應(yīng)用于其他的金屬負(fù)極。
 

　　固體所博士研究生韋婷婷為論文第一作者，固體所胡林華研究員、李兆乾副研究員和中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院朱大明研究員為論文通訊作者。該工作得到了合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金的支持。
 

圖1. 不同電解液中的Zn沉積機(jī)理示意圖。
 

　　圖2. (a)Cis-DMA和trans-DMA的LUMO和HOMO能級(jí)；(b)不同電流密度和不同電解液中沉積鋅片的XRD圖譜(R = I(002)/I(101))；(c)不同電解液中沉積鋅片的RTC值；(d, e)在不同電解液中沉積鋅片的X射線極圖；(f-h)不同電解液中沉積鋅片的2D-GIXRD圖譜：(f)ZnSO4中沉積的鋅片，(g)DMA/ZnSO4中沉積的鋅片,(h)在DMA/ZnSO4中循環(huán)10圈后的鋅片；(i)不同電解液中沉積鋅片的SEM和FESEM圖。
 

　　圖3. (a)10 mA cm？2下ZnSO4和DMA/ZnSO4電解液中沉積的原位光學(xué)顯微觀察圖；(b)10 mA cm？2下DMA/ZnSO4電解液中半原位沉積XRD圖譜；(c)10 mAh cm？2下ZnSO4和DMA/ZnSO4電解液中沉積鋅片的側(cè)面SEM圖。