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廈門大學最新AEM：金屬陽極絕緣保護層，電池壽命增加30倍！

第一作者：Binbin Wei, Jiaxian Zheng

通訊作者：祁正兵，梁漢鋒，Appala Naidu Gandi

通訊單位：廈門大學

論文速覽：

水系鋅電池因其成本效益和高安全標準而備受關注。然而，鋅陽極面臨著鋅枝晶生長和包括腐蝕、析氫在內的副反應等問題。本研究提出了一種通過在鋅陽極上應用保護涂層來增強其可逆性的直接而有效的方法。

與通常認為保護層應與鋅具有高親和力的觀點相反，本研究提出非導電涂層應與H⁺離子形成強結合，同時與Zn²⁺離子保持較弱的相互作用，從而確保對H⁺的高選擇性。以二氧化鋯（ZrO₂）為例，這種離子導體滿足了這些標準，有效抑制了鋅的副反應和枝晶生長。

值得注意的是，涂覆有ZrO₂層的鋅陽極在1 mA cm^?2和1 mAh cm^?2的條件下超過6000小時的壽命，顯著優于壽命小于200小時的無涂層陽極。這一發現為絕緣表面涂層的設計原則提供了新的思路，可能不僅適用于鋅，也適用于其他金屬陽極。

圖文導讀：

圖1：鋅陽極的HER和鋅枝晶生長行為。

圖2：ZrO₂和Zn的表面特性與擴散路徑。

圖3：ZrO₂涂層的結構和力學性能。

圖4：ZrO₂@Zn電極的電化學性能。

圖5：鋅鍍層的形貌和ZrO₂涂層的保護效果。

圖6：鋅/V₂O₅全電池的性能。

總結展望：

本研究提出了一種新型的非導電表面保護層設計原則，用于提高鋅金屬陽極的穩定性。研究發現，理想的非導電涂層對H⁺有強結合力而對Zn²⁺有弱結合力，以實現對H⁺的高選擇性，從而抑制HER和鋅枝晶生長。

實驗和理論模擬均證實了ZrO₂涂層作為鋅陽極保護層的優越效果。特別是，ZrO₂涂層的鋅陽極在1 mA cm^?2和1 mAh cm^?2的條件下壽命可超過6000小時，在10 mA cm^?2和10 mAh cm^?2的條件下壽命超過680小時，大大超過了未涂層陽極的壽命。

此外，ZrO₂涂層并未影響Zn²⁺的插層化學，且在全電池測試中展現了更高的容量和穩定性。這項工作不僅為鋅陽極保護提供了一種有效的策略，也可能對其他水系電池的穩定性提升具有重要意義。

文獻信息：

標題: Design Principle of Insulating Surface Protective Layers for Metallic Zn Anodes: A Case Study of ZrO₂

期刊：Advanced Energy Materials

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