在各类二次电池中,以锌金属作为负极的水系锌离子电池具有成本低,资源丰富、安全无毒、理论比容量高等综合优点,被认为是最有潜力的大规模储能电池体系。然而,锌金属负极的枝晶与腐蚀问题,损害着电池寿命,阻碍其走向应用。由于锌金属的枝晶和腐蚀问题与锌离子的传输行为和溶剂化结构都有关,所以锌负极优化的关键在于同时调控锌离子的传输行为和溶剂化结构。
基于此,中南大学潘安强/常智教授团队发现由无机铁电材料诱发的Maxwell–Wagner极化电场,可一方面引导锌离子进行有序迁移,均匀沉积,另一方面可去除锌离子溶剂鞘结构中的水分子,抑制腐蚀,提高电极可逆性。受益于这种协同作用,锌负极在Maxwell–Wagner极化电场的作用下,Zn||Zn和Zn||Cu电池中分别表现出1400 h的循环寿命和99.9%的高库仑效率。水NH4V4O10||Zn在2000个循环中容量保持132 mA h g-1。组装的软包电池性能优越,在严苛的条件下,可以稳定循环超150圈,无明显产气和漏液现象。其成果以题为 "Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries" 在国际著名期刊Small上发表。本文第一作者为周双博士,通讯作者为潘安强教授,常智教授,通讯单位为中南大学。
⭐ 由铁电材料(钛酸钡,钛酸锶钡)诱导的极化电场可实现在优化锌离子传输行为的同时去除锌离子溶剂鞘结构中的水分子,抑制锌金属负极的枝晶和腐蚀。
⭐ 得益于这种独特的协同作用,锌金属负极的循环寿命和可逆性显著提高,组装的水系锌离子电池性能优越。
图1. 定向偶极子调控锌离子传输行为和溶剂化结构的示意图.
图2. IF-BTO界面层的表征与理论模拟.
图3. 极化电场作用下的Zn//Cu和Zn//Zn电池性能.
图4. 极化电场调控锌离子传输行为和溶剂化结构的机理证明.
图5. 极化电场调控锌离子传输行为和溶剂化结构的机理证明.
图6. 极化电场作用下的NH4V4O10||Zn和MnO2||Zn电池的电化学性能.
本工作报道了一系列由铁电材料组成的界面层以诱导独特的极化电场。实验与模拟证明,锌离子在这种极化电场的作用下可以进行有序迁移,在接近锌金属表面之前,水合锌离子溶剂鞘中的水分子逐渐被脱去,从而减少锌枝晶和副产物的生成。在极化电场作用下,锌负极的寿命得以延长17倍。组装的水系锌离子电池(包括:
NH
4
V
4
O
10
||Zn
;
MnO
2
||Zn
)都表现出明显提升的电池性能。值得注意地,组装的锰基软包电池,在极化电场作用下,即使在
高面容量(10 mAh cm-2)、低N/P容量比(7.5:1)的严苛条件下,仍能
稳定循环150圈并保持有87.9%的容量。
这种基于Maxwell极化电场的策略同样有潜力适用在其他二次金属电池上。
Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries
Shuang Zhou, Xinyu Meng, Chunyan Fu, Dongming Xu, Jianwen Li, Qiong He, Shangyong Lin, Shuquan Liang, Zhi Chang,* and Anqiang Pan*
Small
https://doi.org/10.1002/smll.202303457
文章来源:水系储能