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王海燕/邵敏華/張旗Small: 揭示鋅負極上鋅枝晶形成的二維表面擴散機理

王海燕/邵敏華/張旗Small: 揭示鋅負極上鋅枝晶形成的二維表面擴散機理
水系鋅離子電池由于其高安全性、成本效益和具有競爭力的電化學性能,被認為是用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)的有前途的裝置之一。然而,鋅金屬負極上的枝晶生長極大地阻礙了其進一步的實際應(yīng)用,枝晶演化的內(nèi)部機制仍不清楚,在負極界面引入保護層是避免鋅枝晶生長的有效方法。
王海燕/邵敏華/張旗Small: 揭示鋅負極上鋅枝晶形成的二維表面擴散機理
在此,中南大學王海燕教授、張旗及香港科技大學邵敏華教授等人提出了一種二維 (2D) 原子表面擴散機制,以揭示鋅沉積在不均勻電場和離子場下從微小突起到枝晶的演變。
作者通過簡單且可擴展的磁控濺射方法制造了具有超薄電子導電氮化銅保護層 (CN-Zn) 的鋅負極,通過理論模擬和各種原位/非原位技術(shù)對有和沒有氮化銅 (CN) 涂層的鋅表面的鋅沉積行為進行了很好的研究。結(jié)果表明,二維 (2D) 原子擴散機制在誘導鋅枝晶的形成中起著至關(guān)重要的作用。
王海燕/邵敏華/張旗Small: 揭示鋅負極上鋅枝晶形成的二維表面擴散機理
圖1. 通過磁控濺射制備CN保護層的示意圖及表征
該CN保護層對鋅原子遷移具有高鋅親和力和高擴散勢壘,導致寬敞的成核和均勻的鋅沉積,從而顯著提高了電化學穩(wěn)定性,帶有保護層的鋅負極可以在低極化(27.9 mV)的對稱電池中穩(wěn)定循環(huán)800小時。通過有限元模擬、原位光學顯微鏡觀察和電化學測試進一步驗證了有限的2D原子擴散能有效地抑制Zn枝晶的形成。
本研究首次揭示了受限的二維原子表面擴散機制在抑制鋅微小突起的形成中的作用,所提出的2D原子在表面的受限擴散機制為活性金屬負極界面改性和抑制枝晶生長提供了新的思路。
王海燕/邵敏華/張旗Small: 揭示鋅負極上鋅枝晶形成的二維表面擴散機理
圖2. 鋅枝晶形成機制及原位光學顯微鏡觀察
Revealing the Two-Dimensional Surface Diffusion Mechanism for Zinc Dendrite Formation on Zinc Anode, Small 2021. DOI: 10.1002/smll.202104148

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