Small:基于电场和离子分布的同时调控策略实现无枝晶锌金属负极

近年来,由于锌负极具有较高的理论比容量(820 mAh g−1)和较低的电位(−0.76 V, vs. SHE),具有高安全性和低成本优势的水系锌离子电池引起了研究者的广泛关注。因为商业锌箔负极足够满足实验室的研究要求,目前水系锌离子电池的研究重点依然集中在正极材料的开发上。但是,想要实现水系锌离子电池的商业化应用,还需解决许多锌负极存在的关键问题。其中最主要的是,不受控制的锌枝晶生长可能会刺穿隔膜导致电池短路,并且枝晶倾向于优先从根部溶解,导致锌枝晶与主体分离,从而形成惰性的“死锌”,将加速活性锌的消耗。此外,锌金属是无自支撑的负极,会在放电时完全溶解,而在后续充电时在负极表面重新分布,导致负极表面产生裂纹,这种结构上的损伤会大大增加电池失效的风险。因此,开发具有均匀锌沉积行为的集流体材料对于提高水系锌离子电池的整体性能具有重大意义。目前,有两种强化锌沉积基底材料的主要方法:三维结构设计和亲锌改性,它们分别可以通过调节界面上的电场和离子分布稳定锌负极,如果锌沉积集流体材料具有同时使电场和离子分布均匀化的作用,则可以进一步提高锌负极的性能。

中南大学化学化工学院王海燕课题组基于此设计思路开发了一种具有均匀锌沉积行为的多级亲锌氧化铜修饰的铜网集流体,通过电化学镀锌后获得无枝晶锌负极。密度泛函理论计算证明了锌和氧化铜之间强烈的相互作用可以促进锌成核过程中的锌离子分布均匀。在锌生长过程中,亲锌性的氧化铜转变为具有高电导率的铜单质,产生的相互交错的三维铜骨架可以进一步调节界面电场,使锌连续且均匀地生长在集流体上,并将锌的沉积与溶解反应限制在纳米线阵列中,使锌负极具有更低的极化和更好的循环稳定性能。这种同时调节电场和离子分布以构建三维锌沉积集流体的策略可以为将来开发高性能锌负极提供新的设计思路。相关结果发表在Small(doi.org/10.1002/smll.202000929)上。