武大/上海高等研究院ACS Nano: 用于高性能水系锌离子电池的超晶格稳定层状CuS负极

可充电水系锌离子电池（AZIBs）由于环境友好和安全性高而受到广泛关注，然而其实际应用受到锌负极较差的库仑效率和稳定性的限制。

在此，武汉大学付磊教授、曾梦琪副教授及中科院上海高等研究院王勇研究员、朱大明等人设计了硫化铜 (CuS)/十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 超晶格作为 AZIBs的转化型负极。在这个超晶格中，由于长链分子 (2.6 nm) 和带正电荷的端基 (C₁₉H₄₂N⁺)，CTAB层可以将 (001) 平面的层间距扩大到2.4 nm并诱导电荷重新分布，有效减弱库仑排斥并促进Zn²⁺扩散。

此外，CTAB层还可以作为层间支柱以保持结构稳定性。由于高反应性，Cu离子倾向于生长成更大的Cu颗粒，然后在转化过程中发生体积膨胀。CTAB垫片可以释放应变并避免Cu纳米颗粒的聚集，确保转化反应的可逆性。

图1. CuS-CTAB的Zn²⁺存储机制

因此，CuS/CTAB超晶格表现出优异的Zn²⁺存储性能，包括高倍率能力和长循环稳定性。由CuS-CTAB超晶格负极和普鲁士蓝类似物 (PBA, Zn_xFeCo(CN)₆) 正极构成的全电池能够提供高比容量 (159.7 mAh g^-1@1 A g^-1) 和长寿命（10 A g^-1下稳定循环3000次）。CuS/CTAB 超晶格在软封装AZIBs中的实际适用性也得到了证明，揭示了用于柔性储能设备的巨大潜力。

此外，作者通过operando同步加速器XRD (SXRD)、HR-TEM和XAS详细阐述了有关高度可逆转化反应的电荷存储机制。这项研究表明，CuS-CTAB超晶格设计是解决Zn金属负极固有问题的高效方法，从而产生一种具有潜在高度稳定性和安全性的有前途电池化学。

图2. 锌离子全电池的电化学性能

A Superlattice-Stabilized Layered CuS Anode for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c05725

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武大/上海高等研究院ACS Nano: 用于高性能水系锌离子电池的超晶格稳定层状CuS负极

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