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樓雄文/于樂Angew: 超組裝TiOx/Zn/N摻雜的碳反蛋白石實(shí)現(xiàn)無枝晶鋅負(fù)極

金屬鋅因其理論比容量高（820 mAh g^-1）、還原電位低（-0.76 V）、豐度高和毒性低而被認(rèn)為是鋅離子電池最理想的負(fù)極選擇，而不可控的鋅枝晶生長和副反應(yīng)是制約其商業(yè)化的主要因素。

在此，新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文教授及北京化工大學(xué)于樂教授等人通過膠體晶體模板和隨后的逐步拓?fù)浠瘜W(xué)反應(yīng)，開發(fā)了一種 TiOx/Zn/N摻雜的碳反蛋白石（表示為 TZNC IO）主體來調(diào)節(jié)Zn沉積。值得注意的是，具有周期性結(jié)構(gòu)的 3D大孔框架可以精確控制電場分布并最小化局部電流密度，從而在主體內(nèi)誘導(dǎo)優(yōu)先鋅沉積。

此外，連通孔內(nèi)足夠的孔隙空間可以有效調(diào)節(jié)鋅離子通量并減輕體積膨脹。更重要的是，分布良好的無定形TiO_x和Zn/N摻雜的碳可以作為親鋅位點(diǎn)來降低成核過電位并避免產(chǎn)生氫氣副反應(yīng)。

圖1. TZNC IO 合成過程示意圖及形態(tài)表征

由于豐富的親鋅位點(diǎn)和開放結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)粒狀鋅沉積。正如預(yù)期的那樣，TZNC IO主體在1 mA cm^-2的電流密度下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的鍍鋅/剝離，并在450小時(shí)內(nèi)保持長期穩(wěn)定，形態(tài)研究表明TZNC@Zn電極在循環(huán)后保持無枝晶表面。

作為概念驗(yàn)證，由 TZNC@Zn負(fù)極和商用V₂O₅正極組裝的水系鋅金屬全電池在0.5 A g^-1的電流密度下提供了332.1 mAh g^-1的高平均放電容量，在電流密度為5 A g^-1時(shí)仍保持149.2 mAh g^-1的高放電容量。此外，在5.0 A g^-1下還顯示出超過2000次循環(huán)的長壽命，遠(yuǎn)優(yōu)于Zn||V₂O₅電池。

圖2. TZNC@Zn||V₂O₅全電池的電化學(xué)性能

Formation of Super-assembled TiO_x/Zn/N-doped Carbon Inverse Opal Towards Dendrite-Free Zn Anodes, Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202115649

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