Advanced Energy Materials:基于MXene-聚吡咯层的电荷富集策略构建无枝晶锌金属负极

金属锌以其高理论容量(820 mAh g-1)、低氧化还原电位(-0.76 V vs. 标准氢电极)和安全的工作环境被认为是一种极具发展前景的锌离子电池负极材料。然而,锌金属负极和水系电解液之间存在一些固有的问题。首先,金属锌的高电化学活性使其在水系电解液中热力学不稳定,导致严重的锌枝晶生长。此外,金属锌比氢电极的氧化还原电位低,导致在水系电解液中极易发生析氢反应。最后,析氢反应会引起锌负极表面的OH浓度增加,导致在锌表面形成不导电的钝化层。这些副反应的发生会引起锌和电解液的过量消耗,增加界面阻抗,从而导致电池的库伦效率低和容量衰退快。

为了解决上述问题,科研人员提出了许多解决方案,如设计三维结构的锌负极,优化电解液的组成,开发新型的隔膜,以及在锌负极表面构建人工界面。其中,在锌负极表面构建人工界面不仅可以抑制锌枝晶形成,还能阻止锌负极与电解液直接接触,避免副反应发生。因此,各种功能化材料被用作锌负极的人工界面以改善电池的循环性能。例如,在锌负极表面引入与锌具有高度晶格匹配的材料,可以减少锌在(002)方向生长的能量壁垒,诱导锌的水平生长。通过设计离子选择性或纳米多孔的人工界面层,可以控制锌离子迁移路径。然而,在充电/放电过程中,特别是在高电流密度下,锌负极周围会产生较大的离子浓度梯度,导致锌枝晶的形成。

北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌教授课题组提出一种基于MXene-聚吡咯(MXene-mPPy)层的电荷富集策略,用于构建无枝晶锌金属负极。通过在锌箔表面喷涂具有高荷电能力(149 F g-1)的MXene-mPPy纳米片作为人工界面层,不仅有利于积累锌负极表面的电荷浓度,而且能均匀化电场和离子流。因此,MXene-mPPy/Zn对称电池能够稳定循环超过2500h且具备较好的大电流充放电性能。基于上述复合锌负极材料的MnO2全电池也表现出优异的倍率性能和长循环稳定性,在10 A g-1电流密度下能稳定循环超过3000次。研究人员相信,这种利用富电容材料实现均匀化电场和离子流的电荷富集策略为解决其他锂、钠等金属负极的枝晶问题提供了新的研究思路,同时拓宽了它们在能源存储和转化领域的应用。

论文信息:

Charge-Enriched Strategy Based on MXene-Based Polypyrrole Layers Toward Dendrite-Free Zinc Metal Anodes

Yongzheng Zhang, Zhenjiang Cao, Sijin Liu, Zhiguo Du, Yanglansen Cui, Jianan Gu, Yongzheng Shi, Bin Li, Shubin Yang*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202103979

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103979