鋅基水系電池（ZABs）被認(rèn)為是“后鋰”時(shí)代安全和大規(guī)模儲(chǔ)能的有希望候選者。然而，Zn捕獲的動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性問題仍不能同時(shí)調(diào)節(jié)，特別是在高倍率和負(fù)載條件下。

為此，復(fù)旦大學(xué)晁棟梁研究員、南京大學(xué)Pan Xue等人提出了一種分級(jí)限域策略，通過構(gòu)建具有親鋅Co位點(diǎn)和空間限域的共嵌入碳籠（表示為CoCC）來實(shí)現(xiàn)高倍率和長期穩(wěn)定的鋅負(fù)極。其中，鋅金屬密集地封裝在碳纖維之間的間隙和CoCC主體的中空碳籠內(nèi)。Zn沉積特性可通過以下方式有效調(diào)節(jié)：

（i）親鋅Co位點(diǎn)作為具有低成核勢(shì)壘的首選成核位點(diǎn)，可定向引導(dǎo)Zn成核（0.5 mAh cm^-2以內(nèi)起作用）；

（ii）具有高表面積的碳籠用作鋅“捕獲器”，可在空間上限制金屬鋅在籠內(nèi)的均勻生長（在5.0 mAh cm^-2以內(nèi)起作用）；

（iii）3D精細(xì)化的一體化框架不僅可以降低局部電流密度和均勻Zn²⁺通量，還可以緩沖長期鍍鋅/剝離過程中的巨大體積變化（12 mAh cm^-2以內(nèi)起作用）。

圖1. 鋅箔、碳纖維和CoCC網(wǎng)絡(luò)上的Zn沉積示意圖

鍍鋅后CoCC主體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化闡明了Co位點(diǎn)和多孔碳籠在定向引導(dǎo)Zn 金屬的成核和空間受限沉積中的重要作用，Zn金屬鍍層的原位光學(xué)顯微鏡觀察進(jìn)一步證實(shí)了CoCC框架內(nèi)的空間限域效應(yīng)。因此，相比于純鋅箔負(fù)極，Zn@CoCC復(fù)合負(fù)極在20 mA cm^-2的超高電流密度下能夠?qū)崿F(xiàn)無枝晶鍍鋅/剝離，具有超過800圈的穩(wěn)定循環(huán)壽命和約65 mV的低過電位。

此外，基于Zn@CoCC復(fù)合負(fù)極組裝的全電池在2000 mA g^-1的超高電流密度下仍可提供高達(dá)2000圈的長循環(huán)壽命，表明其出色的耐用性和可靠性。最后，作者基于有限元（FEM）模擬和第一性原理理論計(jì)算從理論層面闡釋了空間限域效應(yīng)。總之，這項(xiàng)工作為進(jìn)一步研究用于穩(wěn)定金屬負(fù)極的先進(jìn)主體設(shè)計(jì)和構(gòu)建提供了啟示，并促進(jìn)下一代高性能水系電池的發(fā)展。

圖2. 含CoCC的水系ZAB的原位光學(xué)觀察和電化學(xué)性能

Hierarchical Confinement Effect with Zincophilic and Spatial Traps Stabilized Zn-Based Aqueous Battery,?Nano Letters?2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01235