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川大張云EnSM: 低成本的稱量紙作為中間層實(shí)現(xiàn)無枝晶水系鋅離子電池

基于金屬鋅的高理論重量/體積比容量、無毒、安全及資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，水系鋅離子電池（AZIBs）近期引起了廣泛關(guān)注。然而，其負(fù)極不可避免地會出現(xiàn)鋅枝晶、副反應(yīng)及由此產(chǎn)生的較差的電化學(xué)性能，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用受到限制。

在此，四川大學(xué)張云教授等人提出了一種非常簡單的策略，即在鋅負(fù)極和隔膜之間插入一個實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的稱量紙（WP）中間層并將其作為超穩(wěn)定鋅負(fù)極的離子再分配器以解決上述問題。由于纖維素的3D結(jié)構(gòu)和源自纖維素/甘油的親鋅-O基團(tuán)，這種WP隔層可捕獲Zn²⁺并適應(yīng)其流動性，同時可起到物理屏障的作用從而抑制腐蝕/HER。

此外，該功能性WP中間層可促進(jìn)鋅離子水合物（[Zn(H₂O)₆]²⁺）的去溶劑化過程并作為離子再分布器引導(dǎo)Zn²⁺均勻分布，從而確保鋅的致密沉積。作者通過光學(xué)顯微鏡研究了WP中間層對Zn沉積和演化的影響，在沒有WP中間層的情況下，電極會出現(xiàn)明顯的突起并在循環(huán)中不斷生長成發(fā)育的Zn枝晶。相比之下，具有WP中間層的電池在整個沉積過程中幾乎沒有變化，變成光滑平坦的沉積層。

圖1. 重復(fù)循環(huán)過程中鋅電極的形貌

進(jìn)一步，作者基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元法（FEM）模擬總結(jié)了WP中間層構(gòu)建穩(wěn)定電解質(zhì)/電極界面的機(jī)理。電化學(xué)測試表明，WP覆蓋的Zn電極表現(xiàn)出高度可逆的電鍍/剝離行為，在1和9 mA cm^-2的電流密度下，其使用壽命分別超過2400和800小時。

此外，添加稱量紙中間層的Zn||V₂O₅全電池在0.5 A g^-1的電流密度下循環(huán)1000次后仍可獲得309 mAh g^-1的高比容量。相比之下，普通的Zn||V₂O₅全電池只能提供40 mAh g^-1的容量，且伴隨著較差的CE。

有趣的是，即使在貧電解液（30 μL）和具有成本效益的隔膜（商業(yè)濾紙）的情況下，具有WP 的電池也能維持超過2000小時的穩(wěn)定循環(huán)且具有≈ 110 mV的低電壓滯后。總之，這種具有成本效益和高性能的中間層工程有助于推動AZIBs的實(shí)際應(yīng)用。

圖2. 具有WP中間層的AZIB的電化學(xué)性能

An ion redistributor enabled by cost-effective weighing paper interlayer for dendrite free aqueous zinc-ion battery, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.06.001

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