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祝贺叶小满同学锌金属负极保护的文章在J. Energy Chem.上发表
发布时间:2024-06-17

    水系电池以其自身的安全性和环境友好性而闻名,一直被认为是电化学储能领域极具竞争力的代表。金属锌具有资源丰富、成本低廉、理论比容量高(5855 mAh cm-3或820 mAh g-1)、氧化还原电位低(-0.762 V vs. SHE)等优点,被广泛用作水系电池的金属负极。然而,锌金属负极(ZMAs)长期受到枝晶生长、析氢和腐蚀等不利反应的困扰。这严重降低了锌金属负极的电化学可逆性和寿命,阻碍了水系锌离子电池(AZIBs)的大规模应用。为了解决上述问题,涂层保护方法已被证明是最有效的策略之一。 

    ZMAs表面的保护层有望调节界面电场和Zn2+的传输,从而提高AZIBs的电化学性能。在众多的涂层材料中,原子可设计的共价有机框架材料(COFs)因其孔隙独特和功能可调变等引起了人们的广泛关注。尤其,在有机和水相溶液中具有良好化学稳定性的酰亚胺基COFs(PC)非常适合于锌金属负极的表面改性。刘胜副教授、顾林副教授和吴鑫副教授合作提出将锌金属化改性后的酰亚胺基COFs膜(ZPC)作为人工固态电解质界面膜(SEI),以解决锌金属负极循环稳定性较差的问题。ZPC作为SEI在水系锌离子电池中的工作原理如图1所示。  


图1:在裸Zn、PC@Zn和ZPC@Zn表面上锌沉积示意图


    实验结果证明:ZPC@Zn电极的电子电导率为0.015 mS cm-1、离子电导率为124.5 mS cm-1、Zn2+ 离子迁移数为0.72、去溶剂活化能为18 kJ mol-1,且腐蚀、析氢和Zn枝晶均明显受到抑制,明显优于裸Zn和PC@Zn电极。在5 mA cm-2、1 mAh cm-2下,ZPC@Zn||ZPC@Zn对称电池获得超过3000小时的循环寿命(图2a)。即使在20 mA cm-2的大电流下,ZPC@Zn|| ZPC@Zn对称电池仍可稳定循环超600小时(图2b)。同时,ZPC@Zn||ZPC@Zn对称电池拥有优异的倍率性能。当电流密度从0.5 mA cm-2逐渐增加到80 mA cm-2,只有ZPC@Zn对称电池可以成功地通过倍率性能测试(图2c)。ZPC@Zn||Cu不对称电池在近7600次循环中保持99.91%的高平均库伦效率(图2d)。组装成全电池时,ZPC@Zn||NH4V4O10软包电池在3A g-1下循环1100次后,容量保持率为70.1%。串联的三个ZPC@Zn||NH4V4O10软包电池可以成功点亮绿色LED灯泡(图2e)。


图2: ZPC@Zn对称电池在 (a) 5 mA cm-2、(b) 20 mA cm-2下的循环测试。(c) ZPC@Zn对称电池在0.5至80 mA cm-2的电流密度下的倍率测试。(d) ZPC@Zn||Cu不对称电池在5 mA cm-2下的库仑效率。(e) ZPC@Zn||NVO软包电池在3A g-1下的循环性能(插图是由串联的三个软包电池点亮LED的照片)。


    这项工作通过具有锌金属化的酰亚胺连接COFs对ZMAs进行了有效的表面改性,阐明了酰亚胺基COFs的稳健性,并有助于推动锌金属负极在未来水系锌离子电池中的实用化发展。 

    该研究成果以Research Article形式发表在Journal of Energy Chemistry上,标题为Imide-Pillared Covalent Organic Framework Protective Films as Stable Zinc Ion-Conducting Interphases for Dendrite-free Zn Metal Anodes。论文第一单位为中山大学化学工程与技术学院,通讯作者为刘胜、顾林和吴鑫副教授,第一作者为2022级硕士研究生叶小满,硕士生肖雪梅、吴之竞参与。

    该工作得到了化学工程与技术学院仪器测试平台的大力支持,获得国家自然科学基金和广东省自然科学基金等项目资助。 

    文章链接:https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.05.055