作者:周江等 来源:《物质》 发布时间:2022/9/20 23:32:14
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原位构筑无序界面相用于高性能锌离子和锌碘电池

 

近日,中南大学周江教授、曹鑫鑫副教授等人利用在锌箔上原位构筑无序硅酸锌(ZSO)作为人工固体电解质界面层的方法,实现Zn2+快速传输和高度可逆的Zn电镀/剥离。

2022年9月20日,该研究以“Constructing fast-ion-conductive disordered interphase for high-performance zinc-ion and zinc-iodine batteries”为题,发表在Matter期刊上。

水系可充电锌基电池因其固有的安全性、成本效率和易于制造而成为最有前途的电网规模储能装置。然而,锌枝晶和电极/电解质界面严重的Zn2+传输不稳定问题一直是水系锌基电池商业化的主要障碍。鉴于此,原位形成人工固体电解质界面作为一种直接的保护方案,可通过缩短Zn2+扩散距离来提高Zn阳极的倍率性能。更为重要的是,无序的界面相由于内部晶界的消除可表现出Zn2+快速扩散的巨大优势。因此,设计具有非晶无序区主导的人工固体电解质界面用于快速离子传输和高度可逆锌剥离/电镀、构建具有丰富各向同性的重建纳米域作为同时实现枝晶抑制和自我调节Zn2+传输的合理策略对稳定锌金属负极的研究具有重要意义。

近日,中南大学周江教授、曹鑫鑫副教授等人利用在锌箔上原位构筑无序硅酸锌(ZSO)作为人工固体电解质界面层的方法,其具有高Zn2+电导率(9.29 mS·cm-1)的和丰富的离子扩散通道,从而实现Zn2+快速传输和高度可逆的Zn电镀/剥离,并重新分配Zn2+通量来引导均匀的Zn沉积,以实现无枝晶Zn金属负极。

该策略在保证对称电池可逆沉积/剥离的同时(寿命超过2500小时),可使Zn@ZSO//NH4V4O10锌离子电池在0.2 A g-1时提供336.8 mAh g-1的比容量,在5 A g-1经过1000个循环容量保持率为90.1%;同时,其应用于锌碘电池时,通过抑制I3-扩散到Zn金属表面,搁置60 h后可保留97.98%的容量。该界面设计为加速高性能锌基电池的商业化提供了启示。

图1:ZSO界面层结构表征。通过原位策略构筑拥有大量各向同性的纳米级Zn2+扩散通道来实现Zn2+的自我调制传输,并最终得到图a所示的沉积形貌。

图2:Zn@ZSO电极的电化学性质。ZSO界面层的构筑改善了Zn电极的库伦效率和倍率性能。沉积/剥离过程中电极的表面化学分析表明了界面层的稳定性,以及沉积过程中由于Zn-O-Si的不断成键导致富电子Si环境的形成和作为Zn2+传输的桥连Si(-O)2和Si(-O)3结合能的不断负移。

图3:Zn@ZSO阳极的Zn剥离/镀层机理。离子迁移系数和导电性测试结果表明ZSO界面层具有快速的Zn2+扩散能力和良好的Zn2+导电性。电场和Zn2+浓度场模拟证实了ZSO界面层可均匀化Zn电极表面电场和拥有大量的Zn2+传输通道。

图4:Zn//NH4V4O10和Zn@ZSO//NH4V4O10电池的电化学性能。

图5:Zn@ZSO//Zn@ZSO对称电池在2 M ZnSO4和0.05 M KI混合电解液中的电化学性能。

Zn@ZSO电极在2 M ZnSO4和2 M ZnSO4+0.05 KI混合电解液中均表现出了不俗的电化学行为。全电池性能测试表明Zn@ZSO//NH4V4O10电池具有更小的电池过电位和改善的电池循环寿命;Zn@ZSO电极在2 M ZnSO4+0.05 KI混合电解液中表现出了优于2 M ZnSO4电解液中的电镀/剥离寿命,Zn@ZSO//I2性能测试结果证实了ZSO界面层在抑制多碘化物与Zn金属反应的有效性和电池长期稳定运行的可行性。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.025

 
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