鋅離子電池下一代先進陽極的的協(xié)同保護策略

綜述背景

水系鋅離子電池中鋅金屬陽極不可避免地會發(fā)生枝晶生長、析氫反應(yīng)和表面鈍化等問題，嚴(yán)重影響了電極的電化學(xué)行為，阻礙了其在儲能系統(tǒng)中的進一步應(yīng)用。近年來，通過人工界面工程、電極結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計、電解液優(yōu)化和新型隔膜等方法，人們?yōu)榻鉀Q上述問題做出了大量努力。然而，僅僅優(yōu)化陽極并不一定與陰極匹配，過度的陽極保護會對全電池的電化學(xué)性能產(chǎn)生相反的影響。西安交通大學(xué)許鑫研究員，成永紅教授團隊對這些陽極保護策略進行全面和深刻的分析，重點是這些策略與陰極的兼容性和促進全電池性能。此外，還提出了協(xié)同保護策略是下一代鋅金屬陽極最有前途的選擇。最后，對鋅金屬陽極的發(fā)展前景進行了探討，為鋅離子電池下一代先進陽極的合理設(shè)計提供新的見解。

綜述要點

對這些陽極保護策略進行全面和深刻的分析，重點是這些策略與陰極的兼容性和促進全電池性能。 提出了協(xié)同保護策略是下一代鋅金屬陽極最有前途的選擇。 對鋅金屬陽極的發(fā)展前景進行了探討，為鋅離子電池下一代先進陽極的合理設(shè)計提供新的見解。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 鋅金屬陽極的問題.

a) AZIB系統(tǒng)在[Zn]t = 0.1 m時的Pourbaix圖。b) Zn枝晶、腐蝕和鈍化示意圖。c)枝晶生長、表面鈍化和析氫關(guān)系示意圖。

圖2. 人工界面工程.

a)含/不含CNG層的Zn2+沉積過程示意圖。b) MNG-CNG//Zn電池在5℃下的長循環(huán)性能。c) Zn//Zn和Zn@HsGDY//Zn@HsGDY對稱電池在2 mA cm?2電流密度下的性能。d) Zn@Nafion和Zn@Nafion-Zn-X陽極的鍍鋅/剝鋅行為示意圖。e) Zn、Zn@Nafion、Zn@Nafion-Zn-X陽極在電流密度為1 mA cm?2時的循環(huán)性能。f)有/無原位SEI層時的鍍鋅/脫鋅行為說明。g) 0.8 A g?1時Zn//V2O5電池的長循環(huán)容量和效率。

圖3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計.

a)外延金屬電沉積方案圖。b) MnO2//Zn MS@C全電池在0.3 A g?1電流密度下的長循環(huán)。c)充注Ni/3D Zn和Ni/Zn影響示意圖。d)鍍鋅示意圖。e)多功能PG構(gòu)建鋅粉陽極示意圖。f) Zn//V2O5電池在電流密度為5 A g?1時的循環(huán)穩(wěn)定性。g)在電流密度為1 A g?1的條件下，四種鋅陽極的Zn/MnO2電池的長循環(huán)性能。h) Zn@ZnP//MnO2全電池在電流密度為1 A g?1時的長循環(huán)性能。

圖4. 電解液工程.

a)鋅離子在DMSO雜化電解質(zhì)中的成核沉積行為及溶劑化結(jié)構(gòu)示意圖。b) Zn2+在Sac/ZnSO4電解質(zhì)中的沉積行為示意圖。c)在不添加10g L?1 NE添加劑和添加10g L?1 NE添加劑的2M Zn(OTf)2電解質(zhì)中的沉積行為示意圖。d)在2M Zn(OTf)2電解液中，無/有10 g L?1 NE時，鍍鋅過程的原位光學(xué)圖像。e) Zn//PANI/CF電池在含/不含NE的2M Zn(OTf)2電解質(zhì)中0.5 A g?1的循環(huán)性能。e)添加葡萄糖的電解質(zhì)體系的三維快照和顯示Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)的放大快照。f) Zn2+的溶劑化結(jié)構(gòu)和鋅陽極與電解質(zhì)之間葡萄糖加成反應(yīng)過程示意圖。g) 5 mA cm?2和5 mAh cm?2條件下不同葡萄糖添加濃度Zn//Zn對稱電池長期循環(huán)性能比較。不同葡萄糖添加濃度的Zn//MnO2電池在不同電流密度下的CE (h)和比容量(i)比較。

圖5. 新型隔膜.

a) Zn沉積行為示意圖。b) MOF@rGO隔膜示意圖。c) CF隔膜設(shè)計過程示意圖。d) PAN隔膜工作機理示意圖。

圖6. 協(xié)同改性策略.

a) ZCS-Zn原位形成過程及其對鍍鋅過程的影響示意圖。b) ZCS-Zn在電流密度為5 A g?1時Zn//MnO2電池的長循環(huán)性能。c) Zn-P@Sn-Cu//MnO2電池在初始狀態(tài)和老化120小時的循環(huán)性能。d)鋅離子異質(zhì)結(jié)構(gòu)和均勻沉積行為的原子圖。e)添加/不添加0.05 mM TBA2SO4時，2 M ZnSO4電解質(zhì)中Zn2+在陽極上的擴散和還原行為示意圖。f)原電解液和含pam電解液中銅網(wǎng)鍍鋅工藝示意圖。g)在1 A g?1條件下，使用3D鋅陽極和添加/不添加PAM的電解液對Zn//MnO2全電池循環(huán)性能的比較。

總結(jié)與展望

全球經(jīng)濟的快速發(fā)展引發(fā)了對能源可持續(xù)發(fā)展的更多需求，自然界的間歇性能源需要高功率和能量密度的二次電池作為有效的大規(guī)模儲能裝置。水系鋅離子電池因其制備工藝簡單、鋅金屬資源豐富、理論容量高、本質(zhì)安全以及在水溶液中的可逆性好而受到廣泛關(guān)注。所有這些優(yōu)點使水系鋅離子電池成為未來電網(wǎng)儲能技術(shù)中最有競爭力的候選技術(shù)。本文綜述了水系鋅離子電池中鋅金屬陽極存在的問題，包括枝晶生長、析氫和表面鈍化等。與許多其他金屬陽極相似，由于“無宿主”性質(zhì)和電鍍/剝離過程，鋅金屬電極不可避免地遭受枝晶問題?；陔婂?剝離機制的鋅金屬陽極經(jīng)歷了無限的體積變化，“無宿主”的性質(zhì)會產(chǎn)生不可控的枝晶生長。此外，還存在其他問題，如鋅金屬陽極的腐蝕、鈍化和析氫反應(yīng)。這些問題不是獨立存在的，一個問題的惡化可能引發(fā)另一個問題的發(fā)生。同時，鋅金屬陽極的實際應(yīng)用還存在諸多障礙，提出了一系列保護和穩(wěn)定陽極的策略。然而，大多數(shù)策略主要關(guān)注陽極的穩(wěn)定性和陽極/電解質(zhì)界面性能，對優(yōu)化全電池性能的參考意義有限。本文從提高全電池循環(huán)性能和容量保留的角度，綜述了鋅金屬陽極的最新保護策略，對下一代鋅金屬陽極的開發(fā)提供了新的見解。

審核編輯：郭婷