磁控溅射超薄TiO2中间层用于高可逆水系锌离子电池

研究简介

锌负极界面处不良的副反应阻碍了水系锌离子电池(AZIB)的发展。特别是锌(Zn)负极与水介质的直接接触会引发锌枝晶、析氢和腐蚀等副反应。在本研究中，通过磁控溅射技术在锌负极表面构建了人工中间层(TiO2)。由于其超薄、均匀和稳定的多孔结构，TiO2中间层可以通过物理屏障和调节离子通量来有效抑制和减少副反应。实验结果表明，使用带有TiO2中间层的锌负极(TO-Zn)的Zn||Zn对称电池表现出对称的充放电曲线和在5mA/cm2(1mA∙h/cm2)下超过5100小时的超长循环寿命，这大约是裸锌负极（仅为100小时）的51倍。与裸露的Zn||MnO2全电池相比，TO-Zn组装的全电池表现出相对稳定的循环性能，经过1000次循环后仍保留约108.4mA∙h/g的可逆容量。本研究采用简便的工艺技术，为构建人工中间层提供参考。

图文导读

图1|(A)使用裸露的Zn负极和TO-Zn负极的Zn2+沉积机理示意图。(B)裸露的Zn负极和(C)TO-Zn负极的SEM图。(D)TO-Zn负极的SEM图和EDS。(E)裸露的Zn负极和(F)TO-Zn负极与硫酸锌电解液(2MZnSO4)的接触角测试。

图2|(A)裸露的Zn和TO-Zn负极的XRD。(B)Ti2p和(C)TiO2中间层的O1s峰的XPS。(D)在Zn负极表面TiO2中间层的台阶边缘处拍摄的AFM图。(E)通过N2吸附脱附测量获得的表面孔隙率特性和(F)裸露的Zn和TO-Zn负极的相应孔径分布。(G、H)Zn||Zn对称电池在1mA/cm2(1mA∙h/cm2)下循环10次后获得的裸露Zn和TO-Zn表面的SEM图和相应的(I)XRD

图3|Zn||Zn对称电池中裸露的Zn和TO-Zn负极的电化学性能：(A)交换电流密度，(B)1mA/cm2(1mA∙h/cm2)时的首次放电曲线，(C)Zn2+迁移数(tZn2+)，(D)计时电流(CA)曲线，(E)不同Zn||Ti非对称电池的LSV曲线，以及(F)裸露的Zn和TO-Zn负极的阿伦尼乌斯曲线和活化能。

图4|通过在Zn||Cu非对称电池和Zn||Zn对称电池中进行电化学测量，比较了裸露的Zn和TO-Zn负极的循环稳定性：(A)初始电压容量曲线，(B)充放电循环曲线，以及(C)不同Zn||Cu非对称电池的CE。使用不同电极的Zn||Zn对称电池在(D)5mA/cm²(1mA∙h/cm²)和(E)10mA/cm²(5mA∙h/cm²)下的循环稳定性。(F)本研究与之前研究在不同电流密度和容量密度下的循环性能比较。

图5|(A)α‐MnO2正极的XRD。(B)反应机理示意图。Zn||MnO2全电池的裸Zn和TO‐Zn负极的电化学行为：(C)0.2mV/s下的CV曲线，(D)0.1A/g下的恒电流循环曲线，(E)循环前的EIS曲线（插图为第一次循环后的EIS曲线），(F)0.14至4.29A/g的倍率性能，以及(G)1A/g下的循环稳定性和效率。

研究结论

本研究利用磁控溅射技术在Zn负极表面（TO-Zn）制备了一层较薄的TiO2中间层（约32nm），显著提高了电池的循环稳定性。磁控溅射技术具有工艺简单、薄膜质量高的特点，加之TiO2中间层稳定均匀的纳米级孔隙，可以均化Zn2+通量并减少副反应。采用TO-Zn负极的Zn||Zn对称电池可以维持约5100h的可逆Zn2+沉积/剥离，而采用TOZn负极的Zn||Cu非对称电池则获得了99.9%的高CE和超过1300次的循环寿命。本研究提出了一种可行且有效的设计策略来提高AZIB的循环稳定性和寿命。