刘洪波/李润EnSM: 多功能保护层实现的超稳定/可深度充电的锌金属负极

金属锌是一种低成本、高安全性的水系储能装置负极材料。然而，由于不可控的枝晶生长和副反应导致库仑效率低和寿命不理想，严重阻碍了其商业应用。

为了克服上述限制，湖南大学刘洪波教授、李润副教授等人构建了由沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）修饰的氧化石墨烯（GO）和PVDF组成的多功能保护层（ZGL），从而实现Zn²⁺在超薄（20μm）锌负极上的沉积行为调节。研究表明，ZGL的存在可以有效地将活性锌金属与电解液隔离，从而最大限度地减少副反应（即腐蚀和析氢反应），使锌负极在整个循环过程中具有出色的电化学稳定性。

更令人印象深刻的是，电化学表征、DFT计算和原位光学显微镜表征显示，ZIF-8、GO和Zn之间的高结合能赋予了ZGL对Zn²⁺的显著捕获能力，从而确保了无枝晶的Zn沉积。

图1. 电化学表征、DFT计算和原位光学显微镜表征

因此，开发的ZGL@Zn负极在半电池配置中循环1450次后表现出极高的平均库仑效率，达到 99.6%。此外，该负极可在对称电池中稳定运行超过2400小时，在10 mA cm^-2的电流密度下累积容量为12000 mAh cm^-2，这也是在10 mA cm^-2时所报道的最高累积容量。

即使具有42.7% 和85.5% 的高放电深度（DOD），ZGL@Zn对称电池仍然分别提供超过560和250小时的长期循环。将所得ZGL@Zn负极组装成Zn||活性炭（AC）混合电容器和Zn||MnO₂电池时，可实现分别稳定运行超过13500和1200次循环。这项工作为设计用于水系锌离子电池和混合电容器的高度稳定和耐用的锌金属负极提供了一个有价值的平台。

图2. Zn||AC混合电容器和Zn||MnO₂电池的性能

Ultra-stable and Deeply Rechargeable Zinc Metal Anode Enabled by a Multifunctional Protective Layer, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.02.040

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刘洪波/李润EnSM: 多功能保护层实现的超稳定/可深度充电的锌金属负极

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