背景介紹

水系鋅 (Zn) 電池 (AZB) 因其固有的低成本、高安全性和出色的環(huán)境友好性而被認(rèn)為是最有前途的儲(chǔ)能電池候選者之一。但鋅金屬負(fù)極仍存在鋅枝晶生長和副反應(yīng)等嚴(yán)重問題，極大地限制了鋅金屬負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用和AZBs的產(chǎn)業(yè)化。

鋅枝晶生長是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，它加速了鋅負(fù)極的斷裂并使更多的活性表面暴露于電解液中，從而加重腐蝕。動(dòng)態(tài)鋅枝晶生長和熱力學(xué)腐蝕相互加劇，加速了鋅金屬負(fù)極的性能衰減。因此，同時(shí)抑制鋅枝晶生長和副反應(yīng)具有重要意義。

成果簡介

天大翁哲AEM：簡單添加劑構(gòu)筑自調(diào)節(jié)界面助力高效水系鋅電池

這里，天津大學(xué)楊全紅教授課題組翁哲教授（通訊作者）等人使用了具有低成本的醋酸銨 (NH₄OAc) 添加劑，構(gòu)筑了自調(diào)節(jié)的鋅/電解質(zhì)界面。NH₄⁺ 在鋅突起周圍產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)靜電屏蔽層，使鋅沉積均勻，而醋酸根作為界面pH緩沖劑來抑制質(zhì)子引起的副反應(yīng)和不溶性副產(chǎn)物的沉淀。

圖文速遞

天大翁哲AEM：簡單添加劑構(gòu)筑自調(diào)節(jié)界面助力高效水系鋅電池

圖1. NH₄⁺陽離子的有效性評(píng)估

圖2. OAc^?陰離子的有效性評(píng)估

圖3. NH₄OAc添加劑的有效性評(píng)估

在空白電池和添加醋酸銨的電解質(zhì)中，對(duì)具有缺氧水合釩酸銨(Od-NVO)正極的原型全電池進(jìn)行了評(píng)估。相比于空白電池，加入醋酸銨的Zn//Od-NVO全電池具有相似的電阻和倍率性能，但具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)果，在添加醋酸銨的電解質(zhì)中，Zn//Od-NVO電池經(jīng)過500個(gè)循環(huán)后，獲得了83.7%的高容量保留率，高庫倫效率接近100%。

圖4. Zn//Od-NVO全電池的性能測(cè)試

總結(jié)展望

綜上所述，為了同時(shí)解決鋅枝晶生長和質(zhì)子誘導(dǎo)副反應(yīng)的問題，本文合理設(shè)計(jì)了一種低成本的雙功能醋酸銨添加劑。銨根陽離子作為一種競(jìng)爭陽離子，在鋅負(fù)極上誘導(dǎo)一個(gè)動(dòng)態(tài)靜電屏蔽層，而醋酸根作為一個(gè)pH緩沖液，將界面pH穩(wěn)定在一個(gè)適當(dāng)?shù)闹担?.14）。因此，負(fù)極與電解質(zhì)的界面在靜態(tài)靜止和動(dòng)態(tài)循環(huán)過程中具有良好的自我調(diào)節(jié)能力，同時(shí)有效抑制鋅枝晶生長和副反應(yīng)。

因此，用醋酸銨添加劑配制的電解液使鋅負(fù)極穩(wěn)定循環(huán)3500小時(shí)，在1 mA cm^?2下庫倫效率≈99.7%，在10 mA cm^?2時(shí)的面積容量為5000 mAh cm^?2。在醋酸銨存在的情況下，Zn//Od-NVO全電池在500次循環(huán)后也顯示出83.7%的高容量保持率。該工作為解決枝晶和腐蝕問題開辟了一條新的途徑。

文獻(xiàn)信息

A Self-Regulated Interface toward Highly Reversible Aqueous Zinc Batteries. Adv. Energy Mater.,?2022, DOI: 10.1002/aenm.202102982.

https://doi.org/10.1002/aenm.202102982.

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