港理工张标AEM: 弹性体-藻酸盐界面实现创纪录累积面容量的锌负极！

锌的自发腐蚀和不受控制的枝晶积累会迅速降低锌金属电池的性能，研究人员已经提出了人工界面的方法来稳定锌金属负极。然而，大多数界面对离子转移是有害的，并且对锌电镀/剥离过程中的空间变化适应性很差。

为此，香港理工大学张标教授等人设计了一种由热塑性聚氨酯（TPU）纤维基底和海藻酸锌（ZA）填料组成的混合界面，并将其作为负极和电解液之间的物理屏障以抑制副反应。其中，直径范围在1~3 µm之间的交织TPU纤维是通过直接在清洁的锌箔上静电纺丝生产的。TPU基底表现出优异的柔韧性，可以弯曲、扭曲、折叠、卷曲等。特别是，它表现出超过400% 的出色拉伸应变，并且在卸载应力后迅速恢复。

此外，ZA是使用市售的海藻酸钠作为前体通过Zn和Na离子之间的简单离子交换制备的。研究表明，ZA通过在混合界面下方诱导电镀/剥离来调节Zn²⁺传输并赋予均匀的Zn沉积。同时，TPU框架充当超弹性约束，进一步抑制猖獗的枝晶生长并容纳大量沉积的Zn。

图1. Zn@TPZA的合成与表征

因此，结合TPU和ZA的优点，改性锌负极（Zn@TPZA）在高电流密度下表现出更长的电池寿命。在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2和10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2条件下，Zn@TPZA//Zn@TPZA对称电池的寿命可分别延长至1200和500小时，而Zn//Zn对称电池的寿命仅为140和60小时。

此外，Zn@TPZA负极在具有挑战性的倍率下具有令人印象深刻的累积面容量（6000 mAh cm^-2@5 mA cm^-2和5000 mAh cm^-2@10 mA cm^-2），在迄今为止所有界面改性的Zn负极中最高。

甚至，基于Zn@TPZA负极与钒基正极的全电池也表现出卓越的稳定性，在10 A g^-1下循环2000次后仍保持168 mAh g^-1的容量。总之，该研究揭示了锌负极人工界面的关键特征，并通过设计弹性体和离子导电聚合物复合材料提供了可行的构建方法。

图2. 基于Zn@TPZA负极的全电池性能

Elastomer–Alginate Interface for High-Power and High-Energy Zn Metal Anodes, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200318

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