Advanced Energy Materials:阴阳相合,各司其职——自调节界面构建高可逆水系锌电池

金属锌因具有高理论容量、低氧化还原电位、无毒等特性,被认为是水系电池的良好负极材料。然而,由于锌离子沉积不均匀导致的枝晶生长问题和电解液中质子被还原而导致的析氢、腐蚀等问题严重制约了水系锌电池的发展。特别地,锌枝晶的生长和腐蚀等副反应不是相互独立的,而是会相互影响,相互促进,这进一步加剧了金属锌负极的失效,因此,开发有效策略同时实现对锌枝晶生长和腐蚀等副反应的抑制是提升金属锌负极可逆性的必由之路。由于锌负极面临的上述问题均发生于锌负极/电解液界面处,因而构建具有自我调节能力的动态稳定界面有望解决金属锌负极面临的上述问题。

鉴于此,天津大学Nanoyang团队的翁哲教授报道了一种通过向水系电解液中加入乙酸铵双功能添加剂来构建动态自调节界面的方法,其中铵根阳离子可以通过形成动态静电屏蔽层来调控锌离子的沉积,抑制锌枝晶的生长;而乙酸根阴离子则可以通过形成HOAc/OAc缓冲对来实现界面pH的动态稳定(pH=5.14),以抑制与质子浓度高度相关的析氢、腐蚀等副反应的发生和不溶性腐蚀副产物的生成。结果显示,该双功能添加剂极大地提升了金属锌负极在水系电解液中的可逆性和稳定性,为金属锌负极的保护提供了新的思路。

图1 NH4+阳离子的作用及原理

图2 OAc阴离子的作用及原理

图3 NH4OAc双功能添加剂对金属锌负极的保护

图4 NH4OAc对全电池性能的影响

本工作开发了一种新型低成本的NH4OAc双功能添加剂,其中铵根离子作为竞争性阳离子在金属锌负极上诱导动态静电屏蔽层,乙酸根离子作为pH缓冲剂维持界面pH的动态稳定,并可在充放电过程中动态调整,有效抑制了金属锌负极枝晶生长、腐蚀、析氢等副反应的发生。得益于此,金属锌负极的循环寿命超过3500小时,并展现出高达≈99.7%的库伦效率和5000 mAh cm-2的累积面容量。特别地,该添加剂还极大地提升了钒酸铵正极的循环稳定性。不同于以往的工作,该工作特别表明了电解液和电极/电解液界面pH对于金属锌负极稳定性和可逆性的重要性,并提出了简单有效的解决策略,为开发高可逆金属锌负极提供了新的思路,并有助于推动二次水系锌离子电池的实用化。

天津大学Nanoyang团队的翁哲教授为论文通讯作者,韩大量博士和王振兴为论文的共同第一作者。

论文信息:

A Self-Regulated Interface toward Highly Reversible Aqueous Zinc Batteries

Daliang Han, Zhenxing Wang, Haotian Lu, Huan Li, Changjun Cui, Zhicheng Zhang, Rui Sun, Chuannan Geng, Qinghua Liang,Xiaoxia Guo, Yanbing Mo, Xing Zhi, Feiyu Kang, Zhe Weng*, Quan-Hong Yang

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202102982

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202102982