西安交通大学院长丁书江团队，最新Angew！

第一作者：Jie Feng，Xinyang Li

通讯作者：丁书江，赵洪洋

通讯单位：西安交通大学

丁书江，1978年生于黑龙江省哈尔滨市，化学学院教授，博士生导师，化学学院院长。陕西省杰出青年基金获得者，教育部“新世纪优秀人才”，陕西省“青年科技新星”。西安交通大学腾飞特聘教授、西安交通大学青年拔尖A类入选者。

论文速览

锌阳极上的寄生副反应和枝晶生长是导致水系锌离子电池(ZIBs)寿命有限的难以解决的问题。

本论文提出了一种自发级联优化策略，用于调控锌离子电池中Zn²⁺的迁移扩散行为，以解决锌阳极在水系电解液中的可逆性问题。

通过构建具有分离-重构特性的PAPE@Zn层，实现了对Zn²⁺迁移行为的有效调控。该策略通过两个步骤实现优化：首先，易溶的聚氧化乙烯(PEO)自发分离到电解液中，削弱了H₂O与Zn²⁺之间的优先配位，实现初步优化；其次，难溶的聚合(4-丙烯酰吗啉)(PACMO)在锌阳极上重构成疏水性的类花状阵列，进一步引导Zn²⁺的去溶剂化和均匀扩散，实现二次优化。这种优化显著提高了锌阳极的稳定性，延长了电池的使用寿命。

图文导读

图1：裸锌、传统保护层工作原理、自发级联优化策略的设计原理及机制的示意图。

图2：PAPE层的示意图结构、PAPE@Zn的侧视FESEM图像及元素分布、分离-重构过程随时间变化的示意图、PACMO阵列的FESEM图像、PACMO阵列的放大视图、PACMO的AFM图像和粗糙度曲线、PAPE@Zn和裸锌电解液的¹H NMR谱图、PEO分子在H₂O和2M ZnOTF (PAPE@Zn)中的醚基(O–CH₂)的¹H NMR谱图。

图3：通过分子动力学模拟展示裸Zn和PAPE@Zn的Zn²⁺的配位结构，以及PAPE@Zn与传统保护层相比在抑制HER和提高锌阳极稳定性方面的优势。

图4：ACMO的静电势分布。

图5：Zn//Cu半电池的库仑效率、沉积/剥离曲线、Zn//Zn对称电池的倍率性能、不同电流密度和容量下Zn//Zn对称电池的长期恒流循环性能、PAPE@Zn对称电池与其他报道工作的寿命比较、沉积/剥离50周期后锌阳极的FESEM图、不同周期后裸锌和PAPE@Zn的CLSM光学图像。

图6：自发级联优化策略的示意图、不同电流密度下的倍率性能、15 A g^-1高电流密度下的长期循环性能、经过两个周期后裸锌和PAPE@Zn阳极的FESEM、不同N:P比下的循环性能、PAPE@Zn阳极的软包电池在低N:P比下的循环性能、三个串联软包电池点亮LED灯的图片。

总结展望

本研究通过自发级联优化策略显著提高了锌离子电池的性能和稳定性。通过在锌阳极上构建具有分离-重构特性的PAPE层，实现了对Zn²⁺迁移扩散行为的有效调控，从而抑制了锌阳极的副反应和枝晶生长。

优化后的锌阳极在对称电池中展现出超过4000小时的超长循环稳定性，且具有高库仑效率。此外，PAPE@Zn//NH₄⁺-V₂O₅全电池在高电流密度下展现出卓越的循环稳定性和容量保持率。该研究为实现高性能、实用的锌离子电池提供了新的思路，并为未来锌离子电池的实际应用铺平了道路。

文献信息

标题：Regulating Zn2+ Migration-Diffusion Behavior by Spontaneous Cascade Optimization Strategy for Long-Life and Low N/P Ratio Zinc Ion Batteries

期刊：Angewandte Chemie International Edition

DOI：10.1002/anie.202407194

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