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港理工張標AEM: 彈性體-藻酸鹽界面實現(xiàn)創(chuàng)紀錄累積面容量的鋅負極！

鋅的自發(fā)腐蝕和不受控制的枝晶積累會迅速降低鋅金屬電池的性能，研究人員已經(jīng)提出了人工界面的方法來穩(wěn)定鋅金屬負極。然而，大多數(shù)界面對離子轉(zhuǎn)移是有害的，并且對鋅電鍍/剝離過程中的空間變化適應(yīng)性很差。

為此，香港理工大學(xué)張標教授等人設(shè)計了一種由熱塑性聚氨酯（TPU）纖維基底和海藻酸鋅（ZA）填料組成的混合界面，并將其作為負極和電解液之間的物理屏障以抑制副反應(yīng)。其中，直徑范圍在1~3 μm之間的交織TPU纖維是通過直接在清潔的鋅箔上靜電紡絲生產(chǎn)的。TPU基底表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性，可以彎曲、扭曲、折疊、卷曲等。特別是，它表現(xiàn)出超過400% 的出色拉伸應(yīng)變，并且在卸載應(yīng)力后迅速恢復(fù)。

此外，ZA是使用市售的海藻酸鈉作為前體通過Zn和Na離子之間的簡單離子交換制備的。研究表明，ZA通過在混合界面下方誘導(dǎo)電鍍/剝離來調(diào)節(jié)Zn²⁺傳輸并賦予均勻的Zn沉積。同時，TPU框架充當超彈性約束，進一步抑制猖獗的枝晶生長并容納大量沉積的Zn。

圖1. Zn@TPZA的合成與表征

因此，結(jié)合TPU和ZA的優(yōu)點，改性鋅負極（Zn@TPZA）在高電流密度下表現(xiàn)出更長的電池壽命。在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2和10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2條件下，Zn@TPZA//Zn@TPZA對稱電池的壽命可分別延長至1200和500小時，而Zn//Zn對稱電池的壽命僅為140和60小時。

此外，Zn@TPZA負極在具有挑戰(zhàn)性的倍率下具有令人印象深刻的累積面容量（6000 mAh cm^-2@5 mA cm^-2和5000 mAh cm^-2@10 mA cm^-2），在迄今為止所有界面改性的Zn負極中最高。

甚至，基于Zn@TPZA負極與釩基正極的全電池也表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，在10 A g^-1下循環(huán)2000次后仍保持168 mAh g^-1的容量?？傊?，該研究揭示了鋅負極人工界面的關(guān)鍵特征，并通過設(shè)計彈性體和離子導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料提供了可行的構(gòu)建方法。

圖2. 基于Zn@TPZA負極的全電池性能

Elastomer–Alginate Interface for High-Power and High-Energy Zn Metal Anodes, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200318

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