Advanced Functional Materials:具有筛分功能和均匀多孔结构的高岭土涂层稳定的锌负极

由于锌负极具有较高的比容量(820 mA h g-1)、低的氧化还原电势(-0.76 V vs.标准氢电极)、低成本和高安全性等优点,水系锌离子电池(ZIBs)成为规模储能系统的最佳选择之一。 然而,金属锌存在着枝晶、腐蚀以及严重的界面副反应,严重影响锌离子电池的贮存性能和循环寿命,成为制约该体系发展的主要瓶颈,亟需高效而全面地解决。界面涂层是一种直接作用于金属电极表面的重要改性策略,但如何选择具有合适功能化组元和结构的涂层却是一个难题。

中南大学梁叔全-周江教授团队针对锌负极存在的枝晶和腐蚀等问题,利用低成本高岭土为锌金属构建表面保护层,获得稳定的锌金属负极。高岭土所具有的独特的离子筛分功能和均一孔结构,实现对Zn2+传输路径的调控,进而实现离子沉积限域均化,加之有效的隔离作用,最终实现对锌枝晶和腐蚀的控制。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202000599)上。 高岭土是一种电子绝缘而离子导通的材料,在本研究中应用于锌负极表面作为保护性涂层材料。研究发现,高岭土中以氢键相连的铝氧八面体[Al2(OH)4]2+层与相邻单元的硅氧四面体[Si2O5]2-层之间能选择性传输Zn2+,加之均一的孔结构(~3.0 nm),从而实现对离子的筛分选择和沉积调控,避免枝晶生成以及其他离子引入的副反应。此外,涂层避免了电极和电解液的直接接触,减少界面副反应和腐蚀。因此,以高岭土涂层的KL-Zn电极组装的对称电池实现了长达800 h循环稳定性(1.1 mA h cm−2电流密度下);KL-Zn/MnO2全电池表现出较高的初始比容量(221 mA h g-1),即使在0.5 A g−1下循环600次,仍保持较高的容量保持率和稳定的电极形貌。由此,我们相信包括高岭土在内的具有多孔层状结构和离子导通性的粘土材料在金属负极防护方面有着独到的优势,值得进一步研究和探索。