Angew. Chem. :不均匀剥离诱导表面损伤加速锌枝晶生长,如何规避?

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锌离子电池由于高安全、低成本、环境友好性和低毒性,在规模化储能领域展现出巨大潜力。然而,锌负极面临的枝晶、腐蚀与产气等科学问题是阻碍其实用化的关键性因素。


传统的表面优化(涂层、抛光、取向)策略在小容量下可以有效稳定锌负极,然而在大容量下的反复循环会导致表面优化层与锌基底的分离或者破坏,从而丧失了对锌负极的保护。这种破坏主要源于锌负极剥离期间的固液转变机制,巨大的体积效应导致表面优化层与锌基底的空隙生长。


实现稳定的锌负极仅需要一个兼顾统一性与亲锌性的表面,并且这样的表面可以在深度剥离后仍然存在。基于先前的工作研究,氮可以作为锌沉积稳定的锚点。此外,在金属的热处理中通过氮等离子作用可以向体相引入氮原子来提高金属材料的耐磨性、耐疲劳性与耐腐蚀性。受此激发,中南大学王海燕教授与张旗博士提出一种全新的锌负极体相重构策略,通过氮等离子与热辐射协同作用在商业锌箔中深度引入氮原子,实现了具备统一高亲锌性的氮位点的表面。由于深度氮化特性,重构后的锌箔在深度剥离后仍然呈现出具备丰富的氮位点的活性表面,导致均匀致密的锌沉积。







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进入体相后的氮原子与锌相互作用形成氮化锌,最终实现了局部氮化锌与锌混合相组成的锌箔。由于热辐射激活了锌负极表面,使得锌负极在剥离过程中实现统一均匀的剥离避免了表面损伤的发生。剥离后的表面在氮化锌的存在下增强了亲锌性,诱导了统一致密的锌沉积。通过分子动力学模拟证实只有在氮等离子与热辐射的同时作用下才能实现锌箔的体相重构,推断出氮等离子是进入体相的驱动力,热辐射可以激活锌负极内部晶格震动为氮粒子提供可进入通道。

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最终,重构后的锌箔负极即使在深度剥离后也始终保持着均匀的高亲锌表面,这引导了均匀且致密的锌沉积,并抑制了副反应。采用体相重构负极组装的对称电池可以在3 mAh cm-2的高容量下稳定循环1100 h以上,远优于商业锌箔负极(42 h)。体相重构的策略为设计高性能的固液转换机制的金属负极开辟了新的途径,对开发实用的高性能金属电池具有重大意义。

文信息

Bulk-Phase Reconstruction Enables Robust Zinc Metal Anodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries

Zefang Yang, Chao Hu, Qi Zhang, Tingqing Wu, Chunlin Xie, Hao Wang, Prof. Yougen Tang, Prof. Xiaobo Ji, Prof. Haiyan Wang


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202308017





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