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?范紅金/劉瑞平/韓鵬AEM: 鋼鐵防腐啟發的低成本添加劑實現穩定鋅負極!

本文采用復合緩蝕劑(CCI)作為鋅金屬負極保護的電解液添加劑

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由于鋅負極的不穩定性(枝晶生長、表面腐蝕和鈍化)導致的循環壽命差,從而限制了水系鋅電池(AZB)的發展。
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在此,新加坡南洋理工大學范紅金教授、中國礦業大學劉瑞平教授韓鵬等人受鋼鐵行業防腐策略的啟發,采用復合緩蝕劑(CCI)作為鋅金屬負極保護的電解液添加劑。具體而言,作者將十二烷基二甲胺乙醇內酯(DDN)、脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)組成的典型復合緩蝕劑(記為DFA)作為一種創新的低成本(約500元/公斤)ZnSO4電解液添加劑。
研究表明,添加的DFA傾向于錨定在Zn表面并通過Zn-O鍵自發形成均勻的SEI薄層。根據實驗和模擬結果,這種DFA層具有高度親鋅性,可有效阻礙H2O和SO42-運輸,從而抑制HER反應。此外,由于Zn和惰性DFA層之間的強化學鍵合,保證了具有高電鍍/剝離可逆性的3D均勻Zn成核。
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圖1. 不同電解液中的鋅鍍層和剝離行為
因此,具有DFA保護的Zn||Zn對稱電池在1 mA cm-2和1 mAh cm-2的條件下可實現超過1100小時的可逆剝離/電鍍過程。當電流密度達到10 mA cm-2時,采用 ZnSO4+ DFA電解液的對稱電池在1 mAh cm-2下仍能提供900小時的長循環壽命,而基于純ZnSO4電解液的電池在相同條件下僅能循環50小時。
此外,基于添加DFA電解液的Zn-Ti半電池在250次循環后的CE仍超過98.2%。這些結果證實,DFA層賦予鋅負極高氧化還原可逆性和低腐蝕傾向。更重要的是,以MnO2作為正極的Zn-MnO2全電池在0.5 A g-1下循環1000次后仍具有約90%的容量保持率,每循環容量衰減僅為0.013%。總之,這項工作為高性能AZBs的低成本電解液添加劑設計提供了一種新策略。
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圖2. Zn-MnO2全電池的電化學性能
Steel Anti-Corrosion Strategy Enables Long-Cycle Zn Anode, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202603

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