山大杨剑EES：有机物嵌入层状结构实现无枝晶锌负极

水系电池中的锌负极总是遭受严重的电化学腐蚀和内部枝晶生长。这些问题可以通过使用疏水聚合物和离子导电无机物作为人造层来缓解。然而，未经特殊改性的无机物与疏水聚合物的相容性总是较差，从而导致保护层松散多孔，对副反应的抑制作用有限。

山东大学杨剑等将正丁胺嵌入到层状结构的α-ZrP中，成功地提高了与常用人造层配方中N-甲基吡咯烷酮（NMP）和聚（偏二氟乙烯）（PVDF）的相容性。

图1 α-ZrP和ex-ZrP的晶体结构和颗粒形态

除了层状结构外，α-ZrP还表现出良好的热稳定性、低电子电导率和高耐酸碱性能，所有这些都使其作为人造层的无机物而引人入胜。但α-ZrP的层间距仅为 7.6 Å，小于水合Zn离子的直径（~8.6 Å），因此，将正丁胺嵌入到α-ZrP中以增加层间距，从而产生ex-ZrP复合材料。与α-ZrP相比，这种嵌入带来以下好处：

i) 由于正丁胺和NMP/PVdF之间的极性相似，它提高了ex-ZrP与PVdF在NMP中的相容性，增强的相容性有利于在Zn上形成PVdF致密层，因此，抑制了H₂O渗透和寄生反应。

ii) 它增加了α-ZrP的层间距，促进了Zn²⁺的脱溶剂化和传输过程，这得到了表观能垒、离子电导率和密度泛函理论的支持。iii)更有趣的是，它增加了局部浓度（C_Zn2+）和迁移数（t_Zn2+），显著降低了阴离子引起的副反应和电极过电位。

图2 半电池性能

受益于上述优势，这种人造层在对称/非对称电池中表现出比裸Zn和α-ZrP更好的电化学性能。此外，这种增强也在全电池和其他层结构（MMT和V₂O₅）中得到验证，从而证明了这种策略的巨大潜力。这些结果提供了一种新方法来丰富可能作为锌离子导体发挥作用的无机物家族，并改善导电无机物和疏水聚合物之间的界面，以用于无枝晶锌负极。

图3 全电池性能

Organics Intercalation into Layered Structures Enables Superior Interface Compatibility and Fast Charge Diffusion for Dendrite-Free Zn Anodes. Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/d1ee03624f

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/2023/10/15/2b3f97620b/

山大杨剑EES：有机物嵌入层状结构实现无枝晶锌负极

相关推荐