【研究背景】

水系鋅離子電池因其環境友好、工作安全以及容量較高等優勢，在實用規模化儲能器件方面具有巨大的應用前景。但是，水系鋅離子電池目前仍然存在著一些關鍵科學問題。這其中，作為電池負極的鋅金屬在工作中面臨著鋅枝晶的不可控生長以及析氫腐蝕的副反應等相關問題，這嚴重制約了水系鋅離子電池的實際應用。如何對鋅金屬進行合理高效的表面修飾以獲得可逆穩定的負極，成為了目前研究人員探索和攻堅的重點。

【成果簡介】

近日，南洋理工顏清宇、中科大朱紀欣、中南大學劉洪濤等團隊利用定向冷凍干燥與溫和熱還原的方法，在鋅金屬表面原位修飾親鋅微米刷，以改善鋅金屬負極的穩定性。通過親鋅微米刷的誘導作用以及去溶劑化作用，鋅離子能快速高效地在負極表面進行可逆沉積，避免了鋅枝晶的大量生長、抑制了副反應的發生。該研究工作以“Intrinsic Interfacial Dynamic Engineering of Zincophilic Microbrushes via Regulating Zn Deposition for Highly Reversible Aqueous Zinc Ion Battery”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。中南大學黃鐵騎博士為本文第一作者。

【核心內容】

鋅金屬負極普遍存在兩個比較嚴重的問題：其一，同鋰一樣，鋅離子的電沉積會因為不均勻而導致鋅枝晶不可控的生長，影響電池安全性；其二，在水系環境下，由于電極電勢的關系，鋅金屬通常會發生析氫腐蝕等副反應，不僅造成庫倫效率低，還會影響電池整體穩定性。對于鋅金屬負極的改性，目前的研究主要集中于對金屬表面進行相關的修飾以改變表面化學成分或者結構狀態，然而較少有文獻對二者進行整合和規劃。基于此，該工作從化學組成和微納結構兩個方面進行統合考慮，設計了一種具有合適含氧官能團含量的、一定取向結構的石墨烯基微米刷，從而實現了鋅離子的精確誘導沉積以及析氫反應的有效削弱。作者通過理論計算與實驗操作驗證了這種設計的合理性與可靠性，利用詳實的原位/非原位表征證明了負載親鋅微米刷的鋅負極相較于其他對比材料的優越性。這項工作為水系鋅離子電池負極的實用設計提供了可以借鑒的思路。

圖1. 接枝親鋅微米刷的鋅負極結構及相關表征。

圖2. 親鋅微米刷的接觸角測試及相關理論計算。

圖3. 接枝親鋅微米刷的鋅負極的電化學行為。

圖4. 親鋅微米刷誘導沉積的原位/非原位表征及相關機理示意圖。

圖5. 以接枝親鋅微米刷的鋅金屬為負極的全電池的電化學表征。

【總結】

這項工作設計的負載在鋅金屬表面的親鋅微米刷，在化學成分上具有絡合鋅離子、去溶劑化等功能，在結構組成上具有構建電解液快速傳輸通道、促進鋅離子定向轉移等功能，因此有效的控制了鋅枝晶的生長、阻止了副反應的發生。其對稱電池與全電池測試都展現出了較為優異的電化學性質，有希望應用于實際水系儲能領域。

審核編輯 ：李倩