近日，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院張寧教授課題組在可充水系鋅電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)工作“Organic Cations Texture Zinc Metal Anodes for Deep Cycling Aqueous Zinc Batteries”以河北大學(xué)為唯一通訊單位發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》(2024, 202408287, IF = 27.4)。我校博士生馬國強(qiáng)和袁文濤為論文共同第一作者，張寧教授為唯一通訊作者。

可充水系鋅電池安全性高、資源豐富、環(huán)境友好，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)鋅負(fù)極以(101)晶面織構(gòu)為主，存在枝晶生長、氫析出、腐蝕等問題，可逆性低，嚴(yán)重阻礙了水系鋅電池的商業(yè)化。作為一種六方密堆積結(jié)構(gòu)金屬，鋅(002)晶面具有最低的表面能和最高的析氫能壘，能夠有效抑制電極界面副反應(yīng)。因此，探索調(diào)控鋅負(fù)極晶面織構(gòu)的有效方法，實(shí)現(xiàn)新型(002)織構(gòu)金屬鋅的可控制備，對于構(gòu)筑高性能水系鋅電池具有重要意義。

本工作中，張寧教授課題組提出了一種“有機(jī)陽離子織構(gòu)金屬鋅負(fù)極的策略”，通過在水系電解液中引入有機(jī)陽離子添加劑來調(diào)控鋅沉積取向，實(shí)現(xiàn)了高度(002)織構(gòu)金屬鋅（簡寫為(002)-Zn）的可控電沉積制備。該策略具有一定普適性，適用于多種有機(jī)陽離子添加劑，包括：1-丁基-3-甲基咪唑鎓陽離子Bmim⁺，1-丙基-3-甲基咪唑鎓陽離子Pmim⁺，以及1-乙基-3-甲基咪唑鎓陽離子Emim⁺。結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征和理論計(jì)算，揭示了有機(jī)陽離子添加劑在鋅表面具有動(dòng)態(tài)吸附效應(yīng)，其既可以引導(dǎo)鋅離子取向沉積，又可以抑制由水引發(fā)的界面副反應(yīng)，在充放電過程中有效維持了(002)-Zn的晶面取向。所制備的(002)-Zn電極在含Bmim⁺的電解液中展示出了優(yōu)異的電化學(xué)性能，在36.3%放電深度下，可穩(wěn)定循環(huán)超1500 h，即使在72.6%高放電深度下，仍可循環(huán)超350 h，是商業(yè)化鋅負(fù)極循環(huán)壽命的87.5倍。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于(002)-Zn負(fù)極的高性能軟包全電池器件，顯示出了良好的應(yīng)用前景。

2023年至今，張寧教授課題組在可充水系鋅電池領(lǐng)域已經(jīng)取得了系列重要成果，相關(guān)工作分別發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie-International Edition(2篇；2023, 62, e202218386和2023, 62, e202304444；IF = 16.1)，Advanced Functional Materials(2篇；2024, DOI: 10.1002/adfm.202406620和2024, 34, 2313358；IF = 18.5)，ACS Nano(2023, 17, 23861-23871；IF = 15.8)，Energy Storage Materials(2023, 54, 276-283；IF = 18.9)。以上工作得到了河北大學(xué)生命科學(xué)與綠色發(fā)展研究院、中國科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的資助和支持。

文章鏈接：

[1]https://doi.org/10.1002/adma.202408287

[2]https://doi.org/10.1002/anie.202218386

[3]https://doi.org/10.1002/anie.202304444

[4]https://doi.org/10.1002/adfm.202406620

[5]https://doi.org/10.1002/adfm.202313358

[6]https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08095

[7]https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.10.043

(化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院 供稿)