近年來，基于水系電解液的鋅離子電池（ZIBs）因其高安全性、低成本和高比容量而備受關(guān)注。然而，循環(huán)過程中鋅負(fù)極上枝晶的形成和副反應(yīng)抑制了其應(yīng)用。
在此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）謝國強(qiáng)教授、邱華軍副教授及上海交通大學(xué)Kolan Madhav Reddy研究員等人設(shè)計了一種三元Zn-Li-Mn合金負(fù)極，以解決ZIBs中純Zn負(fù)極可逆性差和枝晶生長的問題。研究表明，犧牲Li/Mn來消耗電解液中的O2可防止鋅負(fù)極的副反應(yīng)，所形成的陽離子也可通過靜電屏蔽機(jī)制抑制Zn2+的橫向擴(kuò)散從而調(diào)節(jié)鋅的電沉積。因此，該合金負(fù)極極大地抑制了Zn枝晶的形成，還減輕了鋅基副產(chǎn)物的形成和鋅鈍化。
與對稱電池中的純鋅負(fù)極相比，增強(qiáng)型鋅基三元合金負(fù)極在1 mA cm-2的電流密度下表現(xiàn)出更好的可逆性，具有更低且更穩(wěn)定的30 mV的電鍍/剝離過電位。剝離和電鍍后合金負(fù)極的XRD和XPS表征證明其結(jié)構(gòu)在循環(huán)過程中不會發(fā)生變化，SEM圖像證明了ZnLiMn合金在不同電流密度下循環(huán)后的無枝晶形貌。
圖1. ZnLiMn合金抑制枝晶機(jī)制的示意圖
此外，基于合金負(fù)極的ZnLiMn/MnO2全電池也表現(xiàn)出比使用純鋅負(fù)極更好的性能。具體而言，ZnLiMn/MnO2全電池在1 C下表現(xiàn)出超過400次的高循環(huán)穩(wěn)定性，具有高達(dá)96% 的容量保持率，而Zn/MnO2電池僅能保持約200次循環(huán)。
在高達(dá)5 C的電流密度下進(jìn)行測試時，ZnLiMn/MnO2全電池仍保持91.94 mAh g-1 的比容量，是Zn/MnO2電池的兩倍多。重要的是，ZnLiMn合金還顯示出顯著改善的機(jī)械性能（屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為238.4和284.4 MPa），其強(qiáng)度和韌性比純Zn高得多。因此，這種新設(shè)計的三元合金負(fù)極具有增強(qiáng)的電化學(xué)和機(jī)械性能，使其成為先進(jìn)電池負(fù)極的有前景候選者。
圖2. 基于三元合金負(fù)極的鋅離子全電池性能
Highly Strengthened and Toughened Zn-Li-Mn Alloys as Long-Cycling Life and Dendrite-Free Zn Anode for Aqueous Zinc-Ion Batteries, Small 2022. DOI: 10.1002/smll.202200787
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