牺牲阳极

『干流锌电』奥尔杜省理工学院CEJ:锌阴极上构筑的平稳亲锌地下通道

2022-10-18 10:52:43 147小编

科学研究大背景

锌合金正极因其高方法论耗电量、较好的高分子固相和锌的纯天然原子量而正式成为干流锌阳离子电池组 (ZIBs) 的有期望的候选。不过,循环式操作过程中锌正极的枝晶繁殖和锈蚀妨碍了锌阳离子电池组的前述应用领域。日前,奥尔杜省理工学院 Youngkwan Lee 项目组在锌阴极上如前所述加氧酶中空氧化铁铈 (CHC) 奈米内部结构构筑了强悍的亲锌地下通道。凭借着平稳的二维奈米内部结构,锌阴极上的亲锌地下通道介面在 3 mA cm−2的高自由电荷下整体表现出度平衡的 Zn 镀锌/拆分循环式灵活性长达 2000 半小时。获得的 CHC@Zn//MnO2全电池组整体表现出进一步增强的高分子操控性。

其丰硕成果以专文Constructing robust zincophilic–channels on Zn anode for long-life Zn-ion batteries在国际性著名学术期刊 Chem. Eng. J. 上发表。

科学研究亮点

⭐如前所述加氧酶中空氧化铁铈奈米内部结构在锌阴极上构筑了亲锌地下通道。

⭐亲锌地下通道介面为锌阴极提供了进一步增强的高分子操控性和强悍的机械强度。

⭐所设计的具有亲锌介面的锌阴极呈现出度平衡的锌镀锌/拆分循环式灵活性。

图文导读

1.CHC 的表征.

▲ A) CHC 制备示意图;B-D) CHC 的透射电子显微镜 (TEM) 图像;E) CHC在不同放大倍率下的选区电子衍射 (SAED) 图;F) 能量色散光谱 (EDS) 元素映射图像,显示元素 (Ce、O 和 C) 的分布。

图2. 光谱表征.

▲ A)CeO2@PS、HC 和 CHC 的 X 射线衍射 (XRD) 图案;B)CeO2@PS、HC 和 CHC 的 FT-IR 光谱;C)CeO2@PS、HC 和 CHC 的热重分析 (TGA) 曲线;D)CeO2@PS、HC 和 CHC 的X射线光电子能谱 (XPS) 全扫描光谱;E) CHC 的 XPS Ce 3d核心级光谱;和 F) CHC 的 XPS O 1s 核心能级光谱。

图3. 物理性质表征.

▲ A) CHC 介面对 Zn 正极和 ZIBs 影响的示意图,B) CHC 表面的 COO- 与电解质中的 Zn2+阳离子之间的相互作用,C) 密度泛函方法论 (DFT) 计算Zn2+阳离子与各种官能团之间的结合能,以及 D) 5 μL 水滴在 Zn 电极上的接触角。

图4. 物理性质表征.

▲ A) CHC_95@Zn 表面的扫描电子显微镜 (SEM) 图像;B) 各种 CHC@Zn 的机械操控性取决于从奈米压痕获得的粘合剂含量;C) 各种锌对称电池组的奈奎斯特图 (使用空白锌阴极和 CHC@Zn 阴极);D) 阳离子传输和机械强度之间的关系取决于粘合剂的含量。

图5. 高分子测试.

▲ A) 空白 Zn 和 B)CeO2@PS@Zn、HC@Zn 和 CHC@Zn 对称电池组在 0.2 mAcm−2(0.1 mAhcm−2) 自由电荷下的循环式操控性;C) 电压曲线;D) CHC@Zn 对称电池组在 1-15 mAcm−2(0.5-7.5 mAhcm−2) 自由电荷下的循环式操控性;E) CHC@Zn 对称电池组在 3 mAcm−2(1.5 mAhcm−2) 下 2000 h 的循环式操控性;和 F) 纯锌、循环式后纯锌和循环式 2000 半小时后的 CHC@Zn 的 SEM 图像。

图6. 全电池组测试.

▲ A) CHC@Zn//MnO2和空白 Zn//MnO2电池组在 0.2 A g-1 下的恒电流充放电曲线;B) CHC@Zn//MnO2电池组在 0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、2.0 和 3.0 Ag−1下的各种恒电流充放电曲线;和 C) Zn//MnO2全电池组在 0.05 Ag−1激活后在 1.0 Ag−1自由电荷下的电池组循环式操控性。

科学研究结论

总之,如前所述加氧酶中空氧化铁铈奈米内部结构的独特亲锌地下通道成功地结合到锌阴极表面,以实现出色的耐用 ZIBs。这种 CHC 介面提供了强悍的机械操控性和二维 Zn 阳离子通路,从而抑制了 Zn 枝晶的繁殖和高效的高分子系统。此外,从 CHC 的合成到在锌合金阴极上形成地下通道和介面,这是一个可扩展的生产操作过程,使该技术更接近商业化。所制备的 CHC@Zn 正极在对称电池组中以 3 mA cm−2的高自由电荷整体表现出长达 2000 半小时的高持久循环式灵活性,并在全电池组中以平衡的倍率提高了高分子操控性 MnO2阴极。此外,这种 CHC 层的使用延伸到用于储能装置的各种组件,例如隔膜、阴极和其他合金阴极,允许构筑具有卓越操控性的安全储能系统。

文献信息

Soochan Kim, Uiseok Hwang, Kaiwei Yang, Misuk Cho, Jae-Do Nam, Youngkwan Lee*.Constructing robust zincophilic–channels on Zn anode for long-life Zn-ion batteries.Chem. Eng. J.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135822

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