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陳人杰/李麗NML:通過增加成核過電位實現高可逆的鋅金屬負極

陳人杰/李麗NML:通過增加成核過電位實現高可逆的鋅金屬負極
枝晶的形成嚴重影響了鋅離子電池(ZIBs)的進一步發展。增加成核過電位對實現金屬離子的均勻沉積起著至關重要的作用。然而,據悉,這一策略還沒有引起研究人員的足夠重視。
陳人杰/李麗NML:通過增加成核過電位實現高可逆的鋅金屬負極
圖1 過電位對鋅沉積過程影響的示意圖和不同電解液沉積鋅的形貌
北京理工大學陳人杰、李麗等將L-酒石酸鈉(Na-L)這種典型的絡合劑引入ZnSO4(ZS)電解液中,以調節無枝晶的ZIBs的成核過電位。
實驗和理論模擬顯示,L-酒石酸陰離子(L-)可以進入Zn2+的初級溶劑化殼,減少H2O分子的數量并適當增加去溶劑化能壘。此外,Na+可以優先吸附在Zn金屬負極上,并在突出的Zn突起周圍誘導出一個動態靜電屏蔽層,從而阻礙簡單的針狀Zn沉積。
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圖2 Na?L在鋅沉積中作用的物理化學研究
因此,在Na-L添加劑的作用下,改性電解液(ZS-Na-L)中的Zn成核過電位可以從28.3 mV增加到45.9 mV。
因此,ZS-Na-L電解液使Zn-Cu電池在電流密度為10 mA cm-2的情況下,在600次循環中具有約99.8%的高庫侖效率(CE)。此外,在10 mA cm-2的電流密度下,具有優化電解液的Zn-Zn電池表現出穩定的Zn沉積,持續時間約為500小時。
最后,具有高質量負載Li2MnO4(LMO)正極(約12 mg cm-2)的Zn全電池在500次循環后提供了90 mAh g-1的穩定放電容量。這些結果證明了成核過電位對鋅沉積的重要性,并為其他金屬負極提供了一個研究范式。
陳人杰/李麗NML:通過增加成核過電位實現高可逆的鋅金屬負極
圖3 電化學性能研究
Highly Reversible Zn Metal Anodes Enabled by Increased Nucleation Overpotential. Nano-Micro Letters 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01136-z

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