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“理工振興”學術動態(tài)：物理學院在新型水系鋅離子電池研究方面取得新進展

2023-12-22

近日，物理學院先進材料與能源器件團隊與武漢理工大學合作，在水系鋅離子電池儲能研究方面取得新進展，相關工作“Selective Shielding of the (002) Plane Enabling Vertically Oriented Zinc Plating for Dendrite-Free Zinc Anode”以河北大學為第一單位發(fā)表在國際著名期刊《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202308577，IF=29.4），我校朱前程博士為第一和通訊作者，張文明教授和武漢理工大學劉金平教授為共同通訊作者。

水系鋅離子電池（AZIBs）由于具有低成本、操作安全、環(huán)境友好和高容量等優(yōu)點，被認為是未來新型儲能系統(tǒng)的有力競爭者。然而，鋅負極枝晶的生長是制約鋅離子電池發(fā)展的關鍵難題。傳統(tǒng)報道的抑制鋅枝晶的方式是通過控制（002）晶面的沉積來獲得平整的鋅表面，然而（002）晶面的鋅沉積動力學緩慢。前期研究表明（100）晶面的鋅沉積動力學比（002）晶面甚至（101）晶面更快，如能實現(xiàn)（100）晶面的鋅均勻沉積，將使得鋅原子能夠實現(xiàn)超快速的沉積/剝離。但是同時，快速的（100）晶面鋅沉積很難得到控制，從而造成枝晶生長猖獗，因此，實現(xiàn)（100）晶面的鋅均勻沉積充滿挑戰(zhàn)性。該工作通過引入磷酸單十二烷基酯鈉鹽（DLP）作為電解液添加劑，利用DLP中的磷酸基團的強極性選擇性吸附于（002）晶面，而暴露的長鏈碳氫基團能夠有效屏蔽（002）晶面的生長，從而促進了鋅在（100）晶面的擇優(yōu)生長，最終在鋅負極表面形成了垂直且致密的鋅沉積層，抑制了鋅枝晶的產(chǎn)生。得益于（100）晶面快速的鋅沉積/剝離動力學，該工作實現(xiàn)了超高的鋅沉積/剝離電流密度和高沉積容量，鋅負極在50 mA cm^-2的超高電流密度下也能穩(wěn)定循環(huán)。該工作為鋅負極優(yōu)選晶面沉積提供了新思路，為實現(xiàn)超快鋅沉積/剝離、且無枝晶的鋅負極提供了示范。

在近期的另一項工作中，朱前程博士和張文明教授等人從最根本的去溶劑化過程出發(fā)，設計了系列電解液添加劑，通過引入TEG分子作為添加劑，占據(jù)溶劑化殼中水分子的位置來調(diào)節(jié)溶劑化結構，進一步降低去溶劑能壘，從而有助于溶劑化水分子的解離，以及抑制水的分解和相關的副產(chǎn)物（Energy Storage Materials，2023, 63：102997，IF=20.4）；而正極方面的工作，該團隊設計了一種大約3個原子層的氧化釩材料。該原子級厚度的類石墨烯氧化釩（GAVOH）能夠實現(xiàn)超過700 mAh g-1的高容量。理論和電化學研究表明該材料儲能的動力學行為表現(xiàn)出明顯的贗電容行為（Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2211412，IF=19）。