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周江/張笑談AFM：螺旋生長(zhǎng)的鋅鈷合金層可實(shí)現(xiàn)高度可逆的鋅金屬負(fù)極

盡管鋅離子電池已獲得廣泛關(guān)注，但它始終受到鋅(Zn)負(fù)極不受控制的枝晶生長(zhǎng)和嚴(yán)重副反應(yīng)的困擾。

在此，中南大學(xué)周江教授，張笑談團(tuán)隊(duì)通過恒流電沉積技術(shù)在商業(yè)鋅箔的一側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)螺旋生長(zhǎng)的三維(3D)ZnCo合金層。與裸Zn的晶面相比，主要暴露在3D螺旋結(jié)構(gòu)側(cè)面的ZnCo晶面表現(xiàn)出優(yōu)越的親鋅性，促進(jìn)Zn進(jìn)行自下而上的逐層生長(zhǎng)。

在沉積過程中，ZnCo合金層表面通過限制Zn²⁺的擴(kuò)散行為逐漸變得平坦。組裝的ZnCo//ZnCo對(duì)稱電池在5 mA cm^-2的電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過620小時(shí)。

此外，ZnCo//NH₄V₄O₁₀軟包電池的初始容量為190 mA h g^?1，并在400次循環(huán)后保持81%的高容量保持率。

圖1. ZnCo合金負(fù)極的Zn離子沉積行為

總之，該工作通過三步離子交換反應(yīng)在鋅箔表面構(gòu)筑了螺旋生長(zhǎng)的ZnCo合金層。ZnCo合金層具有獨(dú)特的3D結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)Zn²⁺離子的擴(kuò)散行為促進(jìn)了均勻的Zn沉積。此外，親鋅Co位點(diǎn)主要集中在3D結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域，促進(jìn)了Zn²⁺進(jìn)行自下而上的逐層Zn生長(zhǎng)。同時(shí)，ZnCo合金優(yōu)異的耐腐蝕性可以有效抑制負(fù)極表面腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，顯著提升其可逆性。

此外，ZnCo//NVO全電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在5 A g^-1下循環(huán)1200次后仍保持92%的容量保持率。因此，該ZnCo負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)方面前景廣闊，為Zn金屬負(fù)極的發(fā)展提供了新的方向。

圖2. 全電池電化學(xué)性能

Spirally Grown Zinc-Cobalt Alloy Layer Enables Highly Reversible Zinc Metal Anodes, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202306101

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