《AFM》：一種簡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，在儲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)通常會出現(xiàn)嚴(yán)重的枝晶生長、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，本文得到了一種具有超長循環(huán)穩(wěn)定性(5000次循環(huán)后容量不會下降)和優(yōu)異的庫侖效率(CE)(100%)的高性能堿性全電池。本研究為目前最先進(jìn)的水相儲能裝置設(shè)計堅固、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正極的對稱電池在電流密度為0.5~5 mA cm?2時的倍率性能。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)計先進(jìn)的鋅基電池提供了廣闊的前景。

審核編輯 ：李倩