《AFM》：一種簡(jiǎn)單有效的策略解決鋅電極枝晶問題！

鋅基水二次電池具有成本低、資源豐富、安全性好、環(huán)境友好、理論容量高(820mAh g-1和5851mAh L?1)和低氧化還原電位(?0.76V)等鋅基負(fù)極的固有優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)存間歇性可再生能源方面具有重要的潛力。然而，水基電池采用金屬鋅(Zn)通常會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的枝晶生長(zhǎng)、不利于析氫和自腐蝕等問題，特別是在堿性電解液中。

來自中山大學(xué)、廣東第二師范學(xué)院和武漢工程大學(xué)的學(xué)者展示了一種簡(jiǎn)單而有效的解決上述問題的策略，即在銅鋅合金表面(CZ-Zn)上電化學(xué)沉積鋅。整個(gè)Cu-Zn合金中的親鋅Cu位能顯著增強(qiáng)Zn2+的吸附，從而促進(jìn)Zn2+在其表面均勻成核，使其具有高度可逆的鍍鋅/脫鋅化學(xué)。此外，Cu對(duì)析氫反應(yīng)(HER)的本質(zhì)惰性和Cu-Zn合金的高脫鋅電位可以有效地緩解析氫和Zn在水溶液中的腐蝕。Cu對(duì)析氫反應(yīng)的惰性和Cu-Zn合金的高脫鋅電位可以有效地抑制析氫和Zn在水溶液中的腐蝕。

因此，采用CZ-Zn電極的對(duì)稱電池在堿性和中性電解液中都表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)壽命，在2.5 mAhcm-2下的循環(huán)壽命分別超過800h和1600h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原始Zn電極的循環(huán)壽命。此外，通過將這種CZ-Zn負(fù)極與Ni3S2@聚苯胺負(fù)極配對(duì)，本文得到了一種具有超長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性(5000次循環(huán)后容量不會(huì)下降)和優(yōu)異的庫(kù)侖效率(CE)(100%)的高性能堿性全電池。本研究為目前最先進(jìn)的水相儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)堅(jiān)固、超穩(wěn)定的鋅正極提供了理論依據(jù)。相關(guān)文章以“Zincophilic Cu Sites Induce Dendrite-Free Zn Anodes for Robust Alkaline/Neutral Aqueous Batteries”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202110829

圖1.a)Zn、Cu0.64Zn0.36和CZ-Zn樣品的XRD圖譜。b)Cu0.64Zn0.36和c)CZ-Zn的SEM圖像，d)CZ-Zn樣品的Zn和Cu的SEM選區(qū)元素圖譜圖像。e)CZ-Zn樣品的TEM和高分辨率TEM圖像。

圖2.a)5 mA cm?2(容量為2.5mAh cm?2)和b)2 mA cm?2(容量為2 mAh cm?2)下的電壓分布。c)裸Zn和CZ-Zn正極上鍍鋅/剝離的CE。d)在堿性和中性電解液中，基于裸Zn和CZ-Zn正極的對(duì)稱電池在電流密度為0.5~5 mA cm?2時(shí)的倍率性能。e)在不同的電流密度下，Zn||Zn和CZ-Zn||CZ-Zn電池對(duì)應(yīng)的電壓滯后。

圖3.a)鍍鋅過程中鋅/電解液界面的光學(xué)照片，記錄在a)裸Zn和b)CZ-Zn在堿性電解液中，c)裸Zn和d)CZ-Zn在中性電解液(刻度尺為200μm)中的不同時(shí)刻的照片。

圖4。a)Cu-Zn合金和Cu-Zn合金表面沉積Zn的脫鋅電位，b)腐蝕曲線，c)Zn和CZ-Zn電極在堿性和中性電解液中的析氫行為。計(jì)算了Zn2+在Zn(101)和e)Cu-Zn合金(111)上的結(jié)合能。f)吸附Zn2+的Cu-Zn合金的電荷密度分布。g)氫在Zn(101)和Cu-Zn合金(111)上吸附的自由能圖。h)循環(huán)前后鋅和鋅正極示意圖。

圖5.a)鋅基電池原理圖。b)5.4Ag?1時(shí)的GCD曲線；c)在堿性電解液中，Ni3S2@PANI//Zn和Ni3S2@PANI//CZ-Zn電池在6.7Ag?1和e)CE下的倍率性能和循環(huán)性能。f)VO2//Zn和VO2//CZ-Zn電池在中性電解液中的倍率性能和g)5A g?1循環(huán)性能.

綜上所述，本文通過在均勻的Cu-Zn合金上預(yù)鍍鋅層，研制出了一種新型的水基電池超穩(wěn)定鋅負(fù)極。通過一系列非原位和原位表征和密度泛函理論模擬，首次闡明了Cu-Zn合金正極中銅位的親鋅性和均勻分布對(duì)均勻成核和無枝晶鋅沉積的協(xié)同效應(yīng)。由于CZ-Zn正極中的親鋅Cu位可以誘導(dǎo)鋅的均勻成核并抑制鋅的形成，以及Cu-Zn合金較高的脫鋅電位，所制備的CZ-Zn正極在堿性和中性電解液中表現(xiàn)出顯著的循環(huán)耐久性。本研究為超穩(wěn)定鋅負(fù)極的制備提供了一種經(jīng)濟(jì)、低成本的策略，為設(shè)計(jì)先進(jìn)的鋅基電池提供了廣闊的前景。

審核編輯 ：李倩