伽龙/黄云辉，最新Nature子刊！

尽管水系锌基电池（如Zn-MnO₂、Zn-Br₂和 Zn-空气电池）具有安全性高、成本低和无毒等优点，但持续的化学腐蚀（锌金属与水系电解液之间的副反应引起的腐蚀）和锌电极的低可逆性阻碍了其实际应用。

为了解决上述问题，同济大学伽龙教授、华中科技大学黄云辉教授等人提出将硝酸镧作为水系ZnSO₄（ZS）电解液的添加剂，从而实现稳定可逆的锌金属电沉积。基于泊松-玻尔兹（PB）模型，Zn沉积物带负电表面之间的双电层（EDL）排斥力主要受EDL厚度的影响，即德拜长度。

理论上，通过减小德拜长度可减小两个带电粒子之间的EDL排斥力。为此，作者将La³⁺作为高价竞争离子来降低水系ZS电解液的德拜长度。电化学和形貌表征证实，La³⁺的存在削弱了锌层之间的EDL排斥力并改变了锌层的择优取向，导致了致密的锌共格电沉积。基于以上讨论，作者说明了由压缩双电层Zn沉积物引起的Zn共格电沉积方案：当使用La³⁺-ZS电解液时，惰性La³⁺在Zn电极表面的竞争吸附降低了Zn镀层之间的EDL斥力，导致Zn镀层沿（002）面共格电沉积。

图1. La³⁺改性电解液对锌沉积的作用

电化学测试表明，锌电极在La³⁺改性电解液中的腐蚀速率显著降低，腐蚀电流从421.6降低到6.3 μA cm^-2，从而在2100次电镀/剥离循环中实现了超过99.9% 的平均库伦效率。甚至在10 mA cm^-2的电流密度和80% 的锌电极放电深度下，具有改性电解液的Zn||Zn电池表现出约160 小时的稳定Zn沉积。而具有ZS电解液的对照Zn||Zn电池仅在初始剥离/电镀过程结束时便显示出急剧的电压增加，且在循环3小时后失效。

此外，在有限Zn供应（11.6 mAh cm^-2）和高负载VS₂正极（16.0 mg cm^-2）条件下，基于La³⁺改性电解液的Zn||VS₂纽扣全电池可提供约90 mAh g^-1的稳定放电容量，平均放电电压为~0.54 V。总之，该研究提出的策略证明了EDL厚度对Zn²⁺电沉积行为的重要性，可能也适用于其他金属负极。

图2. Zn||VS₂电池在ZS和La³⁺-ZS电解液中的电化学性能

Lanthanum nitrate as aqueous electrolyte additive for favourable zinc metal electrodeposition, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-30939-8

原创文章，作者：v-suan，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/11/9f72833d4c/

伽龙/黄云辉，最新Nature子刊！

相关推荐