东北大学:用于稳定和调节水性锌阳极的无机-金属复合涂层
2025-03-12 13:58:51 作者:涂料驿站 来源:涂料驿站 分享至:

 

锂离子电池因其高容量和长寿命而广受欢迎。然而,潜在的安全问题和回收难题限制了其进一步的发展。近年来,水性锌离子电池(ZIBs)因其易于组装、环保、安全等特点而成为一种很有前景的储能设备。特别是,ZIBs具有高理论比容量(5855mAh/cm2,820mAh/g)和低氧化还原电位(-0.762V vs.标准氢电极,SHE)的优势。然而,提高库仑效率(CE)和循环稳定性仍是一个挑战,这与锌枝晶的形成、析氢和其他副反应有关。锌枝晶的形成主要是由局部不均匀电流密度和“尖端效应”引起的。氢气沉淀和副反应反过来又加剧了短路的风险。为了解决这些问题,研究人员提出了多种策略,如修改电解质成分,设计三维电极结构和设计锌阳极表面。其中,表面改性因其操作简便和效果显著而备受关注。已成功开发出多种涂层材料,包括碳基涂层(石墨烯,碳纳米管和碳球),金属及合金涂层(Se,Sn),无机盐涂层(ZnF2,BaTiO3)以及聚合物涂层(PDA,l-半胱氨酸)。

锌沉积包括锌离子从水合结构中分离,通过获得电子的成核以及随后的生长。这种沉积与界面双电层(EDL)结构有关,分别对应于外亥姆霍兹平面(OHP)内亥姆霍兹平面(IHP)的反应过程。为了实现均匀的锌沉积,调节EDL结构至关重要。值得注意的是,在单组分涂层材料中,同时调制OHP和IHP不易实现。在这方面,复合涂层表现出更多优势,并在能量转换方面得到了重要应用。对于锌阳极表面改性,复合层能有效抑制水分子和阴离子与锌阳极的副反应。其他功能层的存在进一步提高了离子电导率。其他复合层,如纤维素纳米须-石墨烯(CNG)、PVDF-MOFs、BaTiO3/P(VDF-TrFE)等也已被制备和研究。尽管报道的复合涂层集成了各个组分的优点,但从结构的角度看,这些复合涂层只考虑了优化OHP或IHP。

近期,东北大学刘延国/孙宏宇团队、哈佛大学罗兰研究所通过化学混合法,成功制备了一种用于水锌离子电池的新型无机-金属复合涂层,在锌阳极/电解质界面上具有优化的双电层结构

该复合涂层由Cu和氧化锌(ZnO)组成,能有效促进离子去溶剂化,降低成核过电位,并抑制二维扩散。此外,该复合涂层还具有良好的稳定性,能够抑制枝晶生长、析氢腐蚀和副产物的产生。经该复合涂层修饰的锌阳极表现出优异的电化学性能,对称电池能够在1mA/cm2和1mAh/cm2下循环1480小时,过电位约为34mV。即使在3mA/cm2的高电流密度下,对称电池的循环寿命也可达1000小时。因此,本研究操作简单、成本低、重现性高、且易于批量生产,为设计ZIBs的高性能阳极提供了一种新途径。

 

 

锌阳极的电化学可逆性和稳定性

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

锌阳极的电化学可逆性和稳定性。(a)裸、Zn@ZnO、Zn@Cu和Zn@CZ的对称电池在1mA/cm2和1mAh/cm2下的循环性能以及(b)所选循环的电压-时间曲线;(c)裸、Zn@ZnO、Zn@Cu和Zn@CZ的对称电池在3mA/cm2和1 mAh/cm2下的电化学性能;(d)裸锌、Zn@ZnO、Zn@Cu和Zn@CZ对称电池在固定容量为1mah/cm2时的速率性能;循环后(e)裸、(f)Zn@Cu、(g)Zn@ZnO、(h)Zn@CZ电极的SEM图像(所有电化学测量至少重复三个批次)。

 

 

沉积示意图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(上图)裸锌和(下图)Zn@CZ 表面锌沉积的示意图。

 

数据来源与出处

 

相关研究成果以“Inorganic-metal hybrid coating for stabilizing and regulating aqueous zinc anodes”为标题发表在《Journal of Colloid And Interface Science》上。

免责声明:本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有,如果涉及侵权,请第一时间联系本网删除。

    标签:
相关文章
无相关信息