研究背景

在各類二次電池中，以鋅金屬作為負極的水系鋅離子電池具有成本低，資源豐富、安全無毒、理論比容量高等綜合優(yōu)點,被認為是最有潛力的大規(guī)模儲能電池體系。然而，鋅金屬負極的枝晶與腐蝕問題，損害著電池壽命，阻礙其走向應(yīng)用。由于鋅金屬的枝晶和腐蝕問題與鋅離子的傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)都有關(guān)，所以鋅負極優(yōu)化的關(guān)鍵在于同時調(diào)控鋅離子的傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)。

基于此，中南大學潘安強/常智教授團隊發(fā)現(xiàn)由無機鐵電材料誘發(fā)的Maxwell–Wagner極化電場，可一方面引導(dǎo)鋅離子進行有序遷移，均勻沉積，另一方面可去除鋅離子溶劑鞘結(jié)構(gòu)中的水分子，抑制腐蝕，提高電極可逆性。受益于這種協(xié)同作用，鋅負極在Maxwell–Wagner極化電場的作用下，Zn||Zn和Zn||Cu電池中分別表現(xiàn)出1400 h的循環(huán)壽命和99.9%的高庫侖效率。水NH₄V₄O₁₀||Zn在2000個循環(huán)中容量保持132 mA h g^-1。組裝的軟包電池性能優(yōu)越，在嚴苛的條件下，可以穩(wěn)定循環(huán)超150圈，無明顯產(chǎn)氣和漏液現(xiàn)象。其成果以題為 "Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries" 在國際著名期刊Small上發(fā)表。本文第一作者為周雙博士，通訊作者為潘安強教授，常智教授，通訊單位為中南大學。

研究亮點

? 由鐵電材料(鈦酸鋇，鈦酸鍶鋇)誘導(dǎo)的極化電場可實現(xiàn)在優(yōu)化鋅離子傳輸行為的同時去除鋅離子溶劑鞘結(jié)構(gòu)中的水分子，抑制鋅金屬負極的枝晶和腐蝕。

? 得益于這種獨特的協(xié)同作用，鋅金屬負極的循環(huán)壽命和可逆性顯著提高，組裝的水系鋅離子電池性能優(yōu)越。

 

圖文導(dǎo)讀

圖1. 定向偶極子調(diào)控鋅離子傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)的示意圖.

 

圖2. IF-BTO界面層的表征與理論模擬.

 

圖3. 極化電場作用下的Zn//Cu和Zn//Zn電池性能.

 

圖4. 極化電場調(diào)控鋅離子傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)的機理證明.

 

圖5. 極化電場調(diào)控鋅離子傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)的機理證明.

 

圖6. 極化電場作用下的NH₄V₄O₁₀||Zn和MnO₂||Zn電池的電化學性能.

 

研究總結(jié)

本工作報道了一系列由鐵電材料組成的界面層以誘導(dǎo)獨特的極化電場。實驗與模擬證明，鋅離子在這種極化電場的作用下可以進行有序遷移，在接近鋅金屬表面之前，水合鋅離子溶劑鞘中的水分子逐漸被脫去，從而減少鋅枝晶和副產(chǎn)物的生成。在極化電場作用下，鋅負極的壽命得以延長17倍。組裝的水系鋅離子電池(包括： NH ₄ V ₄ O ₁₀ ||Zn ; MnO ₂ ||Zn )都表現(xiàn)出明顯提升的電池性能。值得注意地，組裝的錳基軟包電池，在極化電場作用下，即使在 高面容量(10 mAh cm^-2)、低N/P容量比(7.5：1)的嚴苛條件下，仍能 穩(wěn)定循環(huán)150圈并保持有87.9%的容量。 這種基于Maxwell極化電場的策略同樣有潛力適用在其他二次金屬電池上。

文獻信息

Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries

Shuang Zhou, Xinyu Meng, Chunyan Fu, Dongming Xu, Jianwen Li, Qiong He, Shangyong Lin, Shuquan Liang, Zhi Chang,* and Anqiang Pan*

Small

https://doi.org/10.1002/smll.202303457

文章來源：水系儲能