水系锌离子电池研究取得新进展：科学岛团队成功抑制锌枝晶生长_水系锌离子电池

水系锌离子电池研究取得新进展：科学岛团队成功抑制锌枝晶生长

2023/12/27 10:59:11 15094: 来源：合肥物质科学研究院作者：李兆乾，韦婷婷

摘要：水系锌离子电池作为一种环境友好、安全可靠、成本低廉的储能系统，备受关注。然而，锌枝晶的生长问题一直是制约其商业化的主要障碍。枝晶生长会导致电池的可逆性降低，严重时甚至可能导致电池短路。

　　【仪表网研发快讯】近日，中国科学院合肥物质院固体所胡林华研究员团队在水系锌离子电池(AZIBs)电解液研究方面取得了新进展。他们通过在电解液中引入亲锌性马来酸钠添加剂，成功地改变了锌电极的表面生长，从而显著提高了电池的充放电可逆性和循环稳定性。这一研究成果发表在国际期刊 Advanced Functional Materials 上。

　　水系锌离子电池作为一种环境友好、安全可靠、成本低廉的储能系统，备受关注。然而，锌枝晶的生长问题一直是制约其商业化的主要障碍。枝晶生长会导致电池的可逆性降低，严重时甚至可能导致电池短路。

　　金属锌具有六方密排的晶体结构，其中(002)、(101)和(100)晶面是其晶体学特征的主要组成部分。在此次研究中，研究人员发现，锌(002)晶面具有光滑的原子排列，且原子密度大、表面能低，这导致界面电荷密度均匀，原子结合紧密，有利于Zn2+的均匀沉积和更好的抗腐蚀能力。相比之下，锌(101)和(100)面的原子排列不光滑，界面电荷分布不均匀，这增加了枝晶生长的风险。

　　基于这一发现，研究人员构建了一种诱导Zn(002)织构同质外延电沉积的添加剂电解液策略。通过马来酸钠(DMA)的吸附调节，成功诱导了Zn(002)织构的生长，并抑制了副反应的发生。在严格的电镀/剥离循环测试下，使用这种添加剂的Zn//Zn对称电池表现出了超过3200小时的循环稳定性能。即使在极端条件下，如30 mA cm-2和30 mAh cm-2，包含马来酸钠的Zn//Zn对称电池仍能保持120小时的稳定循环寿命。

　　此外，使用改性电解液的Zn//Cu电池在稳定循环3000次后，平均库伦效率高达99.81%。而Zn//NH4V4O10扣式电池在5 A g-1下循环10000次后容量保持率仍为92.3%。更令人振奋的是，即使在低N/P比为8.5:1的情况下，Zn//NH4V4O10全电池依然可以稳定循环超过5000次，这是普通电池的三倍以上。

　　此次研究的成功在于通过吸附马来酸钠分子层对界面锌离子在不同晶面的迁移行为进行调控，从而诱导Zn(002)晶面的生长。这为在分子水平上实现锌负极优势织构生长提供了一种有前景的策略，并有望应用于其他的金属负极。

　　固体所博士研究生韦婷婷为论文第一作者，固体所胡林华研究员、李兆乾副研究员和中国科学院上海高等研究院朱大明研究员为论文通讯作者。该工作得到了合肥物质院院长基金的支持。

图1. 不同电解液中的Zn沉积机理示意图。

　　图2. (a)Cis-DMA和trans-DMA的LUMO和HOMO能级；(b)不同电流密度和不同电解液中沉积锌片的XRD图谱(R = I(002)/I(101))；(c)不同电解液中沉积锌片的RTC值；(d, e)在不同电解液中沉积锌片的X射线极图；(f-h)不同电解液中沉积锌片的2D-GIXRD图谱：(f)ZnSO4中沉积的锌片，(g)DMA/ZnSO4中沉积的锌片,(h)在DMA/ZnSO4中循环10圈后的锌片；(i)不同电解液中沉积锌片的SEM和FESEM图。