牺牲阳极

胡正林&洛里严教授K43E342TK:原地构筑高介面能、快速力学的DPSS用于高效能锌金属阴极

2022-09-24 10:41:01 147小编

牺牲阳极、铝阳极、锌阳极

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大背景与历史文献概要

锌正极多用途液态钙介面(SEI)的原地构筑可望化解干流锌阳离子电池组中的枝晶繁殖和副产物(锈蚀和析氢)难题。不过,现阶段还缺少最合适的SEI氧化物的构筑性方式和可取的实行走线。受锂合金电池组SEI结构设计的启迪,天津大学胡正林和上海交通大学洛里严副教授团队在Energy Environ. Sci.期刊上发表了题为In situ built interphase with high interface energy and fast kinetics for high performance Zn metal anodes的研究论文,发现高介面能的Zn3(PO4)2能有效地抑制Zn枝晶的繁殖,而ZnF2可以加速Zn2+的迁移和沉积力学,因此构筑以Zn3(PO4)2和ZnF2(ZCS)为主的复合SEI有可能全面改善介面沉积和电极力学。不过,由于Zn/Zn2+和H2/H+的高氧化还原电位,很难通过传统的电化学方式在水溶液中制备锌阴极的原地SEI。针对这一困境,他们利用KPF6在水环境中的不稳定性,通过PF6-阴阳离子诱导的化学策略,在锌阴极上原地构筑ZCS。令人惊讶的是,ZCS-Zn结构光滑致密,在长期循环中表现出更强的可逆性。在弱酸性条件下,ZCS-Zn的累积容量(2020 mAh cm-2)和最大电流密度与面积容量的乘积(10 mA cm-2×20 mAh cm-2)与最近的相关报道相比均达到最高水平。这项工作为在锌阴极上结构设计理想的SEI提供了一条新的途径,也可以指导其他体系的介面工程,以克服在构筑良好的介面间相方面的固有缺陷。

图文导读

图1.三种介面的原子结构和性能

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图2. ZCS介面原地形成过程及其表征

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图3. ZCS介面电化学性能展示

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图4. 对称电池组性能

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图5. Zn|MnO2全电池组性能

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图6. Zn阳离子混合超级电容器性能

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总结

综上所述,在理论计算和实验分析的基础上,提出了锌阴极在水溶液中合理的SEI结构设计原则,包括有利成分的选择和制备方式的结构设计。通过KPF6诱导的化学反应,在Zn表面原地构筑了以Zn3(PO4)2和ZnF2为主的多用途复合SEI,避免了难处理的电化学途径。Zn3(PO4)2与合金Zn具有较高的介面能,对枝晶繁殖有较强的抑制作用,而ZnF2在Zn2+迁移和沉积力学中显示出独特的优势。在协同效应的作用下,ZCS-Zn阴极的性能在以下几个方面有了显著的改善:(1)降低了Zn2+的成核过电位和沉积活化能,加快了电极力学;(2)抑制了介面锈蚀和HER;(3)均匀的阳离子分布和沉积。在ZCS的辅助下,Zn电镀和剥离稳定,ACE高达99.37%,在1 mA cm-2下,对称电池组表现出超过2000 h的超长寿命。即使在80%的高DOD下,ZCS-Zn的对称电池组仍稳定在120h (60次循环)以上。在弱酸性条件下,ZCS-Zn的累积容量(2020 mAh cm-2)和最大电流密度与面积电容的乘积(10mA cm-2×20 mAh cm-2)都达到了历史最高水平。此外,含ZCS-Zn的Zn|MnO2全电池组和Zn阳离子混合超级电容器都具有优异的倍率性能和较长的使用寿命。这些结果证实了原地化学诱导在锌表面形成ZCS层的策略能够满足大电流、大容量和长寿命的要求。此外,该策略不损害干流ZIBs的固有优点,易于实行,并与其他干流体系以及现有的电池组制造工艺高度兼容。文中提出的锌阴极结构设计原则有利于促进干流ZIBs的大规模实际应用,也可用作指导其他缺少理想SEI层的体系。

历史文献资料

In situ built interphase with high interface energy and fast kinetics for high performance Zn metal anodes,Energy Environ. Sci., 2021.

链接:https://doi.org/10.1039/d1ee00308a

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