Advanced Functional Materials:离子可控成核实现高度可逆的锌负极并应用于锌电池

水系锌电池由于锌具有较低的电极电势、高理论容量和资源丰富等优点而引起了极大的关注。然而,锌负极所面临的挑战限制了它们在可充电锌电池中的进一步应用。除了锌枝晶的生长之外,锌负极腐蚀和表面的ZnO致密化也是锌电极不可忽视的问题。这些问题会导致电池可逆性变差、库仑效率降低和容量衰减等。在充电/放电过程中会不可避免发生锌的腐蚀,使得锌电极表面变得不规则,导致不均匀的Zn2+成核位点,并促进Zn表面上的析氢反应(HER)。在锌还原过程中,会发生HER并改变电解质的浓度,从而加速锌负极的进一步腐蚀。除此之外,在锌电极表面上形成不导电的ZnO致密化(也称为“ Zn钝化”)会阻碍金属Zn的有效反应,导致电池容量下降。因此,要实现锌电池高可逆性和长循环寿命,关键是要实现均匀的Zn2+成核位点,减少电极与电解液的接触,抑制锌电极表面的腐蚀和ZnO形成。

上海大学易金和复旦大学夏永姚等针对锌腐蚀和致密化等问题,通过ZrO2纳米层表面修饰锌金属以获得高度可逆的锌电极。ZrO2纳米层的Maxwell-Wagner极化作用能够调控Zn2+的成核,还可以作为物理屏障,降低锌电极与电解液的直接接触。因此,ZrO2纳米层能够促进均匀的锌沉积/溶解,抑制析氢反应,实现高度可逆的锌电极。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201908528)上。

ZrO2是一种典型的陶瓷绝缘材料,具有高介电常数(ε≈25)、低电导率、良好的化学稳定性和室温下的耐腐蚀性,而Zn金属是具有高电导率和低介电常数的极好导体。在本研究中,通过简单的溶胶-凝胶法制备了ZrO2纳米颗粒,并应用于锌电极表面以获得高度可逆的Zn负极。研究发现,ZrO2由于具有高介电常数,在电化学反应过程中发生了有利的Maxwell–Wagner极化,为Zn2+提供可控的成核位点。因此,促进了均匀的Zn沉积/溶解,提高Zn负极的循环稳定性。此外,ZrO2涂层还可以充当惰性物理屏障,以减少Zn负极与电解质之间的直接接触,有效抑制HER发生和ZnO致密化层的形成。实验结果表明,通过ZrO2涂层的Maxwell–Wagner极化和物理屏障作用,获得了低电压极化、高库伦效率和长循环寿命的锌电池。这项研究为提高金属负极的可逆性和循环寿命提供了一种有效策略。