蘇州納米所藺洪振團隊Adv. Sci.:?超快親鋅離子導體提升低溫鋅金屬電池界面快速脫溶動力學
水系鋅金屬電池(AZMBs)作為一種高安全、低成本的電化學儲能技術,因其高比容量(820 mAh g-1)和合適的氧化還原電位(-0.76 V vs. SHE)而受到廣泛關注。然而,析氫反應(HER)、鋅腐蝕以及鋅枝晶生長嚴重影響了水系鋅電池的性能,尤其在低溫工作環(huán)境下應用仍面臨極大挑戰(zhàn)。從本質上講,上述問題來源于鋅離子在電極/電解質界面上的無序行為,包括高的[Zn(H2O)6]2+脫溶能壘和緩慢的Zn2+遷移動力學。
基于此,結合合作團隊前期在設計界面調控層以降低能壘提升載流子傳輸動力學等研究基礎(Adv. Mater. 2023,35,2302828;Angew 2023,135,e202311693;Adv. Funct. Mater. 2023,2302624;Adv. Funct. Mater. 2023,2305674;Adv. Funct. Mater. 2023,33,2212499;ACS Nano 2023,17,1653;Adv. Funct. Mater. 2022,31,2110468;ACS Nano 2022,16,17729;Energy Storage Mater. 2022,52,210;Adv. Funct. Mater. 2021,31,2007434;Adv. Sci. 2022,2202244;Nano Lett. 2022,22,8008;Nano Lett. 2021,21,3245;Energy. Environ. Mater. 2022,5,731),必須合理設計電極/電解質界面,以增強其脫溶劑化能力和離子擴散動力學。
針對鋅金屬電池中的高去溶劑化能壘和緩慢的擴散動力學等問題,中國科學院蘇州納米所藺洪振研究員聯(lián)合德國卡爾斯魯厄理工學院王健博士(現(xiàn)為洪堡學者)及華東理工大學張永正博士,構筑了具有豐富親鋅位點和超快速離子傳輸通道的層狀硅酸鋅納米片界面層(LZS),用于實現(xiàn)快速的界面Zn2+脫溶動力學和隨后的增強Zn2+傳輸動力學(圖1)。通過理論模擬、電化學分析、原位光譜和電化學表征,全面論證了LZS在降低去溶劑化能壘、加速界面裸Zn2+均勻傳輸?shù)闹匾饔谩?/span>

圖1. Zn@LZS界面層設計及物性表征
界面[Zn(H2O)6]2+在沉積前需要經(jīng)過解離,這是離子快速傳輸?shù)钠惹行枰?。研究者采用原位界面和頻光譜(SFG)監(jiān)測了有/無偏置電壓下界面[Zn(H2O)6]2+的演化過程,揭示了LZS界面層能顯著促進[Zn(H2O)6]2+去溶劑化。拉曼也進一步印證LZS能促進[Zn(H2O)6]2+解離。此外,模擬計算也表明LZS層對鋅原子具有更強的吸附能力和更低的去溶劑化能壘,進一步表明了LZS去溶劑化作用。

圖2. Zn@LZS界面去溶劑化研究
界面[Zn(H2O)6]2+的脫溶過程決定了隨后的離子擴散動力學。通過計算離子電導率(σ)和Zn2+遷移數(shù)進一步評價了界面去溶劑化能力和Zn2+擴散動力學。一方面,Zn2+遷移數(shù)和σ增大表明水合鋅離子的快速解離和大量裸Zn2+的釋放,為后續(xù)擴散和成核提供了充足的Zn2+;另一方面,具有豐富納米級擴散通道的LZS層可以作為Zn2+導體,加速裸Zn2+的橫向擴散,使鋅沉積層光滑(圖3)。

圖3. Zn@LZS界面鋅離子傳輸動力學優(yōu)化
得益于快速去溶劑化和隨后界面裸Zn2+快速傳輸,Zn@LZS//Cu半電池的庫倫效率超過99.8%,并且能穩(wěn)定循環(huán)600圈,證明了LZS層具有優(yōu)異的沉積/剝離可逆性。組裝的Zn@LZS對稱電池具有優(yōu)異的低溫循環(huán)穩(wěn)定性。此外,飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)表明LZS界面層經(jīng)過循環(huán)后,依舊能穩(wěn)定保持在鋅片表面(圖4)。

圖4. Zn@LZS界面層對其電化學性能的影響
LZS界面層也顯著提升了Zn@LZS//V2O5-x全電池的電化學性能(圖5)。組裝的Zn@LZS//V2O5-x全電池具有優(yōu)異的低溫循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能和低自放電率,組裝的大尺寸軟包在1 A g-1下循環(huán)100次后可獲得367 mAh g-1的高容量,并且成功為手機充電,賦予了LZS人工界面層巨大的應用潛力。

圖5. Zn@LZS//V2O5-x全電池電化學性能
以上研究成果以Superfast Zincophilic Ion Conductor Enables Rapid Interfacial Desolvation Kinetics for Low-Temperature Zinc Metal Batteries為題,發(fā)表在Advanced Science期刊中。論文第一作者為中國科學院蘇州納米所成曉敏博士,通訊作者為華東理工大學張永正博士、德國亥姆赫茲電化學研究所王健博士和中國科學院蘇州納米所藺洪振研究員,以上工作受到江蘇省自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海揚帆計劃、中國博士后科學基金、江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)博士項目、上海超級博士后項目及德國洪堡基金等基金項目支持,得到了中國科學院蘇州納米所Nano-X的表征技術支持。
附件下載:

