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基于亲锌铜网骨架和Zn2+导向作用的聚丙烯酰胺电解液添加剂实现无枝晶锌金属负极

科技工作者之家 2019-09-23

来源:X一MOL资讯

原标题:Angew. Chem:基于亲锌铜网骨架和Zn2+导向作用的聚丙烯酰胺电解液添加剂实现无枝晶锌金属负极

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点,广泛应用于便携式设备和电动汽车。然而,原料成本的不断上涨和可燃性的有机电解质带来的安全问题限制了其进一步的发展。水系锌离子电池具有天然丰度高、离子电导率高等优点,被认为是一种可替代锂离子电池的低成本、高安全性的储能系统,近年来受到了广泛的关注。与锂负极类似,锌枝晶的形成可能导致循环稳定性差,库仑效率低等问题,严重限制了锌负极的实际应用。

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近日,中南大学王海燕-唐有根团队提出了一种基于亲锌性铜网骨架和Zn2+导向作用的聚丙烯酰胺(PAM)电解质添加剂制备无枝晶锌负极的协同改性策略。铜网不仅可以为锌负极提供结构支撑,而且可以通过原位形成的Cu-Zn固溶体促进锌的均匀成核,PAM上的酰基对锌离子具有较强的选择性吸附作用,锌离子可以沿聚合物链转移在电极表面呈均匀分布。密度泛函理论(DFT)计算证明了Cu-Zn固溶体和PAM对锌沉积的积极作用。

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制备的锌负极在较宽的电流密度范围内(0.2~20 mA cm-2)均表现出无枝晶的形貌,并利用PAM改性后的活化界面显著提高了循环稳定性。制备的锌阳极在高放电容量4 mAh cm-2 (放电深度=80%)时,在对称电池中可稳定循环280 h,并具有低电压滞后(93.1 mV),电化学性能显著提高。组装成的Zn/MnO2电池,在1 A g-1的电流密度下,可以循环600次。

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进一步研究表明,锌枝晶的尺寸与电流密度呈负相关关系。在低电流密度下,由于锌表面的活化位点较少,难以获得足够的成核能量,锌枝晶倾向于更大尺寸的分散生长。随着电流密度的增大和过电位的增大,锌的粒度减小,小尺寸的锌枝晶刺穿隔膜的风险更低,可使电极保持稳定充放电循环。而PAM可以调节界面状态来平衡电场分布,特别是在电流密度相对较低的情况下更有利于形成均匀的镀锌层并表现出较低的极化电压。

本文提出的简单高效的抑制枝晶生长的策略可以大规模生产低成本的锌金属阳极,并且为开发下一代商业应用的锌离子电池提供了新的指导思路。相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者为中南大学博士研究生张旗。

来源:X-molNews X一MOL资讯

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTExNzg4Nw==&mid=2657619878&idx=5&sn=ed8834b2ca9b27da171c8c6aa5d30912&chksm=80f82676b78faf609eecec2bbcbc360aaaa7a597627fc0520332e4359b3e3828f5a958dbdc8f&scene=27#wechat_redirect

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