多功能界面鋅主體的協(xié)同設(shè)計(jì)助力實(shí)用鋅金屬電池

高能量密度、安全且廉價(jià)的電池系統(tǒng)被越來(lái)越多的行業(yè)所需要，如大型固定儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車和便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品。在電池系統(tǒng)中，鋅金屬電池(ZMBs)由于其理論比容量高、電化學(xué)電位低和毒性小等優(yōu)點(diǎn)而受到較多關(guān)注。然而，Zn負(fù)極表面枝晶的生長(zhǎng)及界面的副反應(yīng)導(dǎo)致ZMBs的庫(kù)倫效率低、循環(huán)穩(wěn)定性差，從而嚴(yán)重阻礙了ZMBs的實(shí)際應(yīng)用。

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，來(lái)自韓國(guó)首爾大學(xué)的Dong-Wan Kim等人將一種薄ZnO界面相(ZI)輔助的功能性多孔親鋅碳載體(FPCH)合理地設(shè)計(jì)在裸Zn(FPCH-ZI/Zn)上，從而使ZMBs實(shí)現(xiàn)了高DODZn、低N/P比和高電流密度下的超長(zhǎng)循環(huán)壽命。其中，具有大比表面積和親鋅氧基官能團(tuán)的疏水FPCH誘導(dǎo)Zn2+的均勻沉積，以緩解Zn負(fù)極表面枝晶的生長(zhǎng)。

此外，親水性ZI確保足夠量的電解質(zhì)被FPCH-ZI/Zn吸收，它彌補(bǔ)了疏水性FPCH的缺點(diǎn)(電解質(zhì)的低吸濕性)，抑制了水溶液電解質(zhì)/Zn界面處的副反應(yīng)。因此，即使在惡劣的工作條件下，對(duì)稱的FPCH-ZI/Zn電池也表現(xiàn)出了超過(guò)3000小時(shí)的優(yōu)異壽命，并且具有較低的極化電壓。

圖1.a, b) FC@SiO2和FPCH的高倍率TEM圖像與EDS元素映射圖像。c) FPCH的N2吸附-解吸等溫線(插圖：FPCH的BJH孔徑分布)。d) FPCH的C 1s和e) O 1s的高分辨率XPS光譜。f)氧基官能團(tuán)的模型(左)和原始及氧基官能團(tuán)的所有可能構(gòu)型計(jì)算出的鋅原子結(jié)合能的總結(jié)(右)。g)對(duì)稱電池(裸Zn||裸Zn、FC@SiO2/Zn||FC@SiO2/Zn和NA-FPCH/Zn電池||NA-FPCH/Zn電池)在1 mA cm-2的電流密度和1 mAh cm-2的面容量下進(jìn)行恒流循環(huán)。h, i) FC@SiO2/Zn和NA-FPCH/Zn在20次循環(huán)后的截面SEM圖像。

圖2. a) NA-FPCH/Zn和FPCH-ZI/Zn的XRD圖譜。c) FPCH-ZI/Zn的截面聚焦離子束(FIB)-SEM圖像與EDS元素圖譜。d, e) 2 M ZnSO4水溶液電解質(zhì)在FPCH-ZI/Zn和p-FPCH-ZI/Zn上的接觸角。f) FPCH-ZI/Zn與p-FPCH-ZI/Zn的原位接觸角測(cè)試。g)線性極化曲線顯示了裸Zn和FPCH-ZI/Zn上的鋅腐蝕。h)靜置(24h)前后對(duì)稱電池(裸Zn||裸Zn和FPCH-ZI/Zn||FPCH-ZI/Zn電池)的奈奎斯特圖。i) Arrhenius曲線和計(jì)算的相應(yīng)活化能。

圖3. a)裸Zn和FPCH-ZI/Zn在-150 mV的恒定電位下的記時(shí)安培(CA)曲線。b)裸Zn和c) FPCH-ZI/Zn||FPCH-ZI/Zn電池在電流密度為40 mA cm-2時(shí)的鋅沉積原位光學(xué)顯微圖像。d)裸Zn和e) FPCH-ZI/Zn在不同面積容量下以2 mA cm-2的電流密度沉積后的SEM圖像。f)在8 mAh cm-2的面積容量下，以2 mA cm-2的電流密度沉積后，F(xiàn)PCH-ZI/Zn的截面FIB-SEM圖像與EDS元素圖譜。g) FPCH-ZI/Zn的副反應(yīng)抑制和Zn沉積行為示意圖。

圖4. a)對(duì)稱電池(裸Zn||裸Zn和FPCH-ZI/Zn∥FPCH-ZI/Zn電池)的CV曲線。b)不同電流密度下，鋅在FPCH-ZI/Zn上沉積的電壓曲線。c)不同電流密度下的成核過(guò)電位和電流密度之間的關(guān)系。d)不同電流密度下對(duì)稱電池的倍率能力；e)裸Zn和FPCH-ZI/Zn的相應(yīng)交換電流密度。

裸Zn||裸Zn和FPCH-ZI/Zn||FPCH-ZI/Zn電池的靜電曲線f)在1 mAh cm-2的面積容量下，電流密度為1 mA cm-2；g)在5 mAh cm-2的面積容量下，10 mA cm-2的超高電流密度。h)裸Zn||裸Zn和FPCH-ZI/Zn||FPCH-ZI/Zn電池在DODZn為51%時(shí)的恒流曲線。i)比較具有FPCH-ZI/Zn的對(duì)稱電池和以前報(bào)道的鋅宿主的累積容量以及最大電流密度和面積容量的倍率(j×C)。

圖5. a) MnO2||裸Zn和b) MnO2||FPCH-ZI/Zn全電池在0.1~1.0 mV s?1的對(duì)應(yīng)CV曲線。c)陰極/陽(yáng)極峰值電流與掃描速率平方根的對(duì)應(yīng)線性擬合。d)裸Zn和FPCH-ZI/Zn全電池的倍率性能；e)在0.2、0.5、1.0、2.0、3.0和5.0 A g?1不同電流密度下的恒流曲線。裸Zn和FPCH-ZI/Zn全電池在0.5 A g?1g)高N/P比(≈190)和h)低N/P比(≈7.3)的循環(huán)性能。

總的來(lái)說(shuō)，本研究通過(guò)刮刀澆鑄及后續(xù)的低溫退火過(guò)程構(gòu)建了一種新的Zn界面主體(FPCH-ZI/Zn)，其由親鋅多孔碳宿主(FPCH)和親水薄ZnO界面相(ZI)組成。FPCH-ZI/Zn具有SSA大、與Zn結(jié)合力強(qiáng)、疏水性和親水性協(xié)同作用等優(yōu)點(diǎn)，能提供均勻的Zn2+通量、低的Zn成核過(guò)電位，并抑制內(nèi)部的副反應(yīng)。

結(jié)果表明，在高面積容量(5 mAh cm?2)和高電流密度(10 mAh cm?2)下，含F(xiàn)PCH-ZI/Zn的對(duì)稱電池表現(xiàn)出優(yōu)異的累積容量(6500 mAh cm?2)。即使在實(shí)際操作條件下(DODZn:≈51%)，電池仍表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能，表明鋅沉積/溶解的可逆性增強(qiáng)。

此外，使用FPCH-ZI/Zn負(fù)極和MnO2正極的全電池在接近實(shí)際應(yīng)用的惡劣條件下，在超過(guò)1000次循環(huán)中提供了優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性(N/P比值:≈7.3)。考慮到FPCH-ZI/Zn卓越的電化學(xué)性能，作者相信在商用Zn上構(gòu)建界面主體的策略為ZMBs的實(shí)際應(yīng)用提供了突破性的思路(文：Meiko)。

審核編輯：劉清