揭示谷氨酰胺添加劑對(duì)高可逆鋅金屬陽(yáng)極的多功能調(diào)節(jié)作用

研究背景

水系電解液中的鋅金屬負(fù)極不可避免地會(huì)發(fā)生枝晶生長(zhǎng)、析氫反應(yīng)和表面鈍化等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了電極的電化學(xué)行為，阻礙了水系鋅離子電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。為此，西安交通大學(xué)許鑫研究員，成永紅教授，王建華教授團(tuán)隊(duì)將谷氨酰胺(Gln)添加劑引入水系電解液中，促進(jìn)鋅陽(yáng)極性能的穩(wěn)定，提高電池的性能。Gln中的親鋅基團(tuán)使其比H2O更容易吸附在Zn(002)平面上，從而抑制水誘導(dǎo)的副反應(yīng)，構(gòu)建貧水的陽(yáng)極/電解液界面。密度泛函理論(DFT)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低濃度的Gln分子可以有效地吸附在Zn陽(yáng)極上形成界面保護(hù)層，抑制副反應(yīng)。優(yōu)先吸附的Gln分子可以增強(qiáng)界面處的空間位阻影響，促進(jìn)Zn2+的均勻沉積。使用含有Gln的Zn//Zn電池表現(xiàn)出了700小時(shí)循環(huán)壽命和1050 mAh cm?2的累積容量。此外，Zn//Cu電池在1 mA cm?2下能夠高度可逆循環(huán)500次，平均庫(kù)侖效率為99.6%。此外，使用Gln作為電解液添加劑的Zn//NH4V4O10全電池也表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能。組裝的柔性Zn//NH4V4O10電池在便攜式電子設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。其成果以題“Unveilingthe Multifunctional Regulation Effect of Glutamine Additive forHighly-Reversible Zn Metal Anode”在Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表。

研究亮點(diǎn)

通過(guò)理論計(jì)算研究了Gln分子與負(fù)極/電解液界面的作用機(jī)制。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了ZnSO4/Gln電解液對(duì)副反應(yīng)的抑制作用、對(duì)界面空間效應(yīng)的增強(qiáng)以及對(duì)鋅離子沉積過(guò)程的影響。

采用Gln添加劑實(shí)現(xiàn)了高度可逆的鋅沉積過(guò)程、出色的循環(huán)壽命和沉積容量。

圖文導(dǎo)讀

圖1.添加劑對(duì)負(fù)極/電解液界面的作用機(jī)制分析

a) H2O和Gln在Zn金屬表面的吸附能。b) Gln和H2O的HOMO和LUMO等表面。c)鋅金屬與不同電解液(H2O和Gln)之間的電荷密度差異。

圖2. 添加劑對(duì)負(fù)極/電解液界面特性的影響分析

a)浸泡在原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液中的Zn陽(yáng)極光學(xué)圖像。b)鋅陽(yáng)極浸泡在不同電解液中的XRD圖譜。c)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液中Zn//Zn電池的Tafel曲線。d)在原始ZnSO4和ZnSO4/Gln電解液中檢測(cè)Zn//Zn電池的LSV圖。e)原始ZnSO4和ZnSO4/Gln電解液的CA曲線。f)在Zn陽(yáng)極上鍍Zn2+(左)和(右)Gln添加劑。

圖3. 添加劑對(duì)鋅沉積過(guò)程和副反應(yīng)的影響分析

a)鋅沉積過(guò)程中原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 MGln電解液的原位光學(xué)顯微鏡圖像。b)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液的核磁共振譜。c)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 MGln電解液的拉曼光譜。d)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液的v(SO42-)拉伸比較。e) Gln添加劑對(duì)Zn陽(yáng)極的多功能調(diào)節(jié)作用示意圖。

圖4. 添加劑對(duì)鋅沉積/剝離行為的影響分析

a, b)分別使用ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液的Zn//Zn電池在1 mA cm?2和3 mA cm?2條件下的循環(huán)穩(wěn)定性。c)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液中循環(huán)鋅陽(yáng)極的XRD譜圖。d) ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 MGln電解液對(duì)Zn//Zn電池倍率性能的比較。e)在1mA cm?2條件下，在原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液條件下，對(duì)Zn//Cu電池的CE進(jìn)行了評(píng)估。

圖5. 添加劑對(duì)全電池行為影響分析

a、b)在(a) 5 A g?1和(b) 10 A g?1條件下，ZnSO4和ZnSO4+0.3 M Gln電解液對(duì)Zn//NH4V4O10電池循環(huán)性能的比較。c) ZnSO4和ZnSO4+0.3 MGln電解液下Zn//NH4V4O10電池的倍率性能。d) ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液對(duì)Zn//NH4V4O10電池靜置48 h后的容量保持能力。e) Zn/NH4V4O10軟包電池的應(yīng)用。

研究結(jié)論

這項(xiàng)研究提出具有成本效益的Gln分子作為一種多功能電解液添加劑，有助于實(shí)現(xiàn)高度可逆的鋅陽(yáng)極。理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了Gln優(yōu)先與鋅表面結(jié)合的能力，增強(qiáng)了陽(yáng)極界面的空間位阻影響。這有助于減輕鋅和水分子之間的相互作用，同時(shí)促進(jìn)Zn2+的均勻沉積。此外，在電解液中引入Gln優(yōu)化了配位環(huán)境，改變了Zn2+的溶劑化鞘層。Zn//Zn電池在1mA cm-2下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)700小時(shí)的穩(wěn)定循環(huán)。同樣，添加Gln的Zn//Cu電池表現(xiàn)出可逆的鍍/剝離機(jī)制，實(shí)現(xiàn)99.6%的平均庫(kù)侖效率。此外，采用Gln作為電解液添加劑制備的Zn//NH4V4O10電池顯示出優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能。

審核編輯：劉清