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“理工振興”學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)：物理學(xué)院在新型水系鋅離子電池研究方面取得新進(jìn)展

2023-12-22

近日,，物理學(xué)院先進(jìn)材料與能源器件團(tuán)隊(duì)與武漢理工大學(xué)合作,，在水系鋅離子電池儲(chǔ)能研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)工作“Selective Shielding of the (002) Plane Enabling Vertically Oriented Zinc Plating for Dendrite-Free Zinc Anode”以河北大學(xué)為第一單位發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202308577,，IF=29.4）,，我校朱前程博士為第一和通訊作者,，張文明教授和武漢理工大學(xué)劉金平教授為共同通訊作者。

水系鋅離子電池（AZIBs）由于具有低成本,、操作安全,、環(huán)境友好和高容量等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者,。然而,，鋅負(fù)極枝晶的生長(zhǎng)是制約鋅離子電池發(fā)展的關(guān)鍵難題。傳統(tǒng)報(bào)道的抑制鋅枝晶的方式是通過(guò)控制（002）晶面的沉積來(lái)獲得平整的鋅表面,，然而（002）晶面的鋅沉積動(dòng)力學(xué)緩慢,。前期研究表明（100）晶面的鋅沉積動(dòng)力學(xué)比（002）晶面甚至（101）晶面更快,，如能實(shí)現(xiàn)（100）晶面的鋅均勻沉積，將使得鋅原子能夠?qū)崿F(xiàn)超快速的沉積/剝離,。但是同時(shí),，快速的（100）晶面鋅沉積很難得到控制，從而造成枝晶生長(zhǎng)猖獗,，因此,，實(shí)現(xiàn)（100）晶面的鋅均勻沉積充滿挑戰(zhàn)性。該工作通過(guò)引入磷酸單十二烷基酯鈉鹽（DLP）作為電解液添加劑,，利用DLP中的磷酸基團(tuán)的強(qiáng)極性選擇性吸附于（002）晶面,，而暴露的長(zhǎng)鏈碳?xì)浠鶊F(tuán)能夠有效屏蔽（002）晶面的生長(zhǎng)，從而促進(jìn)了鋅在（100）晶面的擇優(yōu)生長(zhǎng),，最終在鋅負(fù)極表面形成了垂直且致密的鋅沉積層,，抑制了鋅枝晶的產(chǎn)生。得益于（100）晶面快速的鋅沉積/剝離動(dòng)力學(xué),，該工作實(shí)現(xiàn)了超高的鋅沉積/剝離電流密度和高沉積容量,，鋅負(fù)極在50 mA cm^-2的超高電流密度下也能穩(wěn)定循環(huán)。該工作為鋅負(fù)極優(yōu)選晶面沉積提供了新思路,，為實(shí)現(xiàn)超快鋅沉積/剝離,、且無(wú)枝晶的鋅負(fù)極提供了示范。

在近期的另一項(xiàng)工作中,，朱前程博士和張文明教授等人從最根本的去溶劑化過(guò)程出發(fā),，設(shè)計(jì)了系列電解液添加劑，通過(guò)引入TEG分子作為添加劑,，占據(jù)溶劑化殼中水分子的位置來(lái)調(diào)節(jié)溶劑化結(jié)構(gòu),，進(jìn)一步降低去溶劑能壘，從而有助于溶劑化水分子的解離,，以及抑制水的分解和相關(guān)的副產(chǎn)物（Energy Storage Materials,，2023, 63：102997，IF=20.4）,；而正極方面的工作,，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種大約3個(gè)原子層的氧化釩材料,。該原子級(jí)厚度的類(lèi)石墨烯氧化釩（GAVOH）能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)700 mAh g-1的高容量,。理論和電化學(xué)研究表明該材料儲(chǔ)能的動(dòng)力學(xué)行為表現(xiàn)出明顯的贗電容行為（Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2211412，IF=19）,。