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胡海波/吳明在ACS Nano: 首次報道!離子篩涂層實現無枝晶金屬鋅負極

胡海波/吳明在ACS Nano: 首次報道!離子篩涂層實現無枝晶金屬鋅負極
金屬鋅負極 (MZAs) 上的尖端誘導枝晶從根本上降低了水系鋅金屬電池 (ZMB) 的可充電性。如何以更環保、更經濟和可擴展的方式解決MZA的棘手問題并具有更好的可行性,仍然是一個巨大的挑戰。
胡海波/吳明在ACS Nano: 首次報道!離子篩涂層實現無枝晶金屬鋅負極
在此,安徽大學胡海波教授、吳明在教授等人首次提出了一種由可再生、低成本、環境友好的3D交織細菌纖維素組成的有趣離子篩(IS),通過原位自組裝途徑沉積在MZA(Zn@IS)表面,可有效抑制 MZA 上的枝晶生長。
詳細的實驗表征及分子動力學/DFT計算證明,與配位水相比,IS與Zn2+的相互作用更強,從而打破了水合Zn2+的溶劑化平衡,促進了[Zn(H2O)6]2+的去溶劑化。同時,由于涂層排斥大量的配位水,MZAs與電解液之間的界面自由水較少,有效削弱了析氫副反應。此外,具有豐富納米孔作為離子通道的IS涂層可使Zn2+離子通量均勻化,有助于Zn均勻沉積。
胡海波/吳明在ACS Nano: 首次報道!離子篩涂層實現無枝晶金屬鋅負極
圖1. IS涂層的原位自組裝策略示意圖及表征
正如預期的那樣,與原始Zn||Zn對稱電池(僅300 h過電位就從127.2迅速增大到376.8 mV)相比,Zn@IS||Zn@IS電池在3000 h(0.25mAh cm-2)下具有更出色的電鍍和剝離穩定性,觀察到的過電位僅略有增加(從73.5增加到78.1mV)。
隨后,與進一步設計的碳納米管(CNT)@MnO2正極配對,得到的全ZMB的循環性能(0.5 A g-1下循環3000次后容量保持率為73.3%)遠優于基于原始MZA的電池(僅為21%),驗證了Zn@IS負極作為原始MZA的替代電極以提高ZMB的可充電性能的可行性。該研究提供了一種簡單但高效的保護協議以加強MZA 的電化學可逆性,從而縮小ZMB可充電性的現實與商業需求之間的差距。
胡海波/吳明在ACS Nano: 首次報道!離子篩涂層實現無枝晶金屬鋅負極
圖2. 基于原始Zn和Zn@IS負極的ZMB性能對比
Ion Sieve: Tailoring Zn2+ Desolvation Kinetics and Flux toward Dendrite-Free Metallic Zinc Anodes, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c08638

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