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中南大學陳月皎AEM:通過痕量有機添加劑原位構建SEI,穩定鋅金屬負極

中南大學陳月皎AEM:通過痕量有機添加劑原位構建SEI,穩定鋅金屬負極
水系鋅電池(AZBs)的實際應用由于鋅負極的差可逆性而受到很大限制,這包括枝晶的猖獗生長和嚴重的界面副反應。
中南大學陳月皎AEM:通過痕量有機添加劑原位構建SEI,穩定鋅金屬負極
圖1. HMTA添加劑在負極/電解質界面的調節行為示意
中南大學陳月皎等將六亞甲基四胺(HMTA),一種含有孤對電子的雜環有機化合物,作為一種新型的水系電解液添加劑,以原位構建一個穩定的負極-分子界面層來穩定鋅負極。理論計算和實驗測試都表明,HMTA分子能夠取代溶劑化結構中的水分子,然后鋅離子的運輸將溶劑化的HMTA分子帶到電極/電解質界面。
由于HMTA分子中存在大量含有孤對電子的氮原子,HMTA分子與鋅原子之間形成了強烈的相互作用,從而誘發了HMTA在鋅金屬上的優先吸附,從而原位形成負極-分子界面層。這樣一個獨特的界面層有效地將活性水分子排除在表面之外,并且由于豐富的孤對電子作為具有獨特電子抽離特性的成核點,促進了快速的離子傳輸動力學。
中南大學陳月皎AEM:通過痕量有機添加劑原位構建SEI,穩定鋅金屬負極
圖2. 分析鋅離子的增強動力學
因此,只需微量添加,HMTA添加劑就能加速鋅離子在負極/電解質界面的脫溶劑化,并抑制水分解的副反應,確保鋅負極在循環過程中的高還原性和穩定性。研究顯示,在添加了HMTA的電解液中,Zn負極的枝晶和析氫受到了明顯的抑制,證明了這些特性。因此,采用含有超少量(5 mm)HMTA添加劑的電解液,電池獲得了4000小時的穩定和長壽命(5 mA cm-2和1 mAh cm-2)以及高沉積/剝離可逆性,在超過800次循環中平均CE為99.75%。
此外,Zn/V2O5全電池在5 A g-1下經過4000次循環后,顯示出61.7%的高容量保持率。這一策略為在水系金屬電池中原位構建負極-分子界面提供了一種全新的方法,并將推動AZBs的實際應用。
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圖3. Zn負極的電化學可逆性和穩定性
In Situ Construction of Anode–Molecule Interface via Lone-Pair Electrons in Trace Organic Molecules Additives to Achieve Stable Zinc Metal Anodes. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300550

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