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抑制鋅金屬負極嚴重的水誘導的副反應和不可控的枝晶生長,對于水系鋅金屬電池實現超長循環壽命和促進其實際應用至關重要。
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圖1. HZTO@Zn的作用及表征
中科大余彥、姚雨等提出了一個多尺度(電子-晶體-幾何)結構設計的概念,以精確構建空心非晶態ZnSnO3立方體(HZTO)來優化鋅金屬負極。由HZTO(HZTO@Zn)修飾的Zn電極表現出獨特的優點:
i)在電子結構方面,Sn元素的引入可以增強O和H原子之間的相互作用,改善析氫的能量屏障;
ii)在晶體結構方面,無定形的ZnSnO3具有豐富的親鋅位點,可以緩解濃度極化,誘導均勻成核;
iii)在幾何結構方面,中空的ZnSnO3有效地縮短了固態離子的擴散距離,提高了Zn2+的擴散動力學。
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圖2. 半電池性能
HZTO的這些協同優勢可以抑制副作用,加速Zn2+的遷移,從而實現無枝晶的Zn沉積/剝離。因此,HZTO@Zn對稱電池在2 mA cm-2的條件下可提供超過6900小時的超長循環壽命,而在5 mA cm-2的較高電流密度下可提供3500小時。
此外,HZTO@Zn||V2O5全電池在5 A g-1的情況下,在1100次循環后表現出99.3%的出色容量保持率。更重要的是,HZTO@Zn|| V2O5軟包電池在1 A g-1的條件下呈現出120.6 Wh kg-1的競爭性能量密度,凸顯了其在大規模儲能設備中的巨大潛在價值。
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圖3. HZTO@Zn||V2O5全電池及軟包電池性能
Multi-scale Structure Engineering of ZnSnO3 for Ultra-long-life Aqueous Zinc-Metal Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202208764

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