KAUST/江大ACS Nano：通过增强离子传输动力学和调节Zn(002)沉积实现高度可逆的Zn负极

温和电解质中不受控制的枝晶生长和与水相关的副反应是锌负极循环稳定性差、导致水系锌基电池的劣化主要原因。

在此，江南大学刘天西、陈苏莉以及沙特阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef等人提出了多功能氟磷灰石(Ca₅(PO₄)₃F)气凝胶(FAG)界面层，通过Zn²⁺迁移动力学和Zn(002)取向沉积的综合调控来实现高度稳定的锌负极。

由于Ca²⁺和Zn²⁺之间离子交换产生的清晰的气凝胶纳米通道和丰富的Zn²⁺吸附位点，FAG界面层可以显著加速Zn²⁺迁移并有效均匀化Zn²⁺通量和成核位点，从而促进电极/电解质界面处的Zn²⁺快速且均匀地迁移。此外，在循环过程中，FAG中的F原子促进了ZnF₂的原位生成，这有利于控制优选的Zn(002)取向沉积有效抑制枝晶生长和副反应。

图1. FAG@Zn负极的原理设计策略

总之，该工作通过在锌负极上构建多功能FAG保护层，成功实现了超稳定的锌负极。Zn²⁺和Ca²⁺之间的离子交换相互作用产生的丰富亲锌位点可以有效加速Zn²⁺的迁移动力学并引导均匀的Zn沉积。同时，具有定制且均匀的纳米通道的FAG层充当离子筛，可以有效调节Zn²⁺的电化学行为，从而也有利于Zn²⁺的均匀分布和沉积。

重要的是，循环过程中Zn负极表面上原位生成的ZnF₂有利于控制优选的Zn(002)取向沉积有效地抑制枝晶生长。因此，FAG@Zn负极具有较高的CE(约99.5%)和较长的使用寿命(4000小时)以及较低的过电势。FAG@Zn||MnO₂全电池还表现出优异的循环性能和倍率性能。

图2. FAG@Zn和裸锌负极的Zn//MnO₂全电池的电化学性能

Highly Reversible Zn Anodes Achieved by Enhancing Ion-Transport Kinetics and Modulating Zn (002) Deposition, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c08197

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