受羽毛效应启发的超疏水亲锌策略用于超稳定锌金属负极

研究简介

传统的人工界面涂层可以通过均化Zn2+通量来解决水系锌离子电池（AZIB）中的枝晶生长，但涂层仍可能因自由水分子的腐蚀而失效。本文，受水禽羽毛疏水结构的启发，成功构建了一种兼具亲锌和超疏水特性的双功能十六硫醇（HDT）-Ag@Zn负极。通过置换反应在锌基底上原位生长羽毛状Ag结构，并通过分子自组织组装HDT单层。这种跨尺度结构协同优化了锌沉积动力学并抑制了界面副反应。以HDT-Ag@Zn负极组装的对称电池在1mAcm-2、1mAhcm-2的电流密度下可稳定循环超过2600小时。HDT-Ag@Zn//V2O5全电池在5Ag-1电流密度下循环3500次后，容量保持率高达92.2%。该研究为通过仿生界面设计解决AZIB的关键瓶颈问题提供了新的思路，有望推动其在下一代储能系统中的实际应用。

图文导读

图1.(a)受天然水禽羽毛结构启发的仿生设计策略：3D羽毛状分级结构与表面有机改性的整合。(b)镀锌和长期循环过程中裸露锌负极的示意图演变。(c)HDT-Ag@Zn负极在电镀/剥离循环过程中的保护机制。

图2.(a)裸Zn、Ag@Zn和HDT-Ag@Zn负极的XRD。(b)裸Zn、HDT-Ag@Zn负极和纯HDT的FTIR。(c)裸Zn和HDT-Ag@Zn负极的XPS、。(d)裸Zn和(e)HDT-Ag@Zn的原子力显微镜(AFM)图像、。(f)水禽羽毛的数码照片和示意图。(g、h)裸Zn和Ag@Zn负极的SEM。(i)HDT-Ag@Zn负极的TEM和EDS。(j)HDT-Ag@Zn负极的HRTEM。（k）根据DFT计算得出的水分子在Zn(002)、Ag(111)和HDT-Ag@Zn表面上的吸附能。（l）去离子水和2MZnSO4电解液在裸Zn、Ag@Zn和HDT-Ag@Zn表面上的接触角。

图3.(a)在电流密度和限制容量为1mAcm–2/1mAhcm–2时，具有裸露Zn、Ag@Zn和HDT-Ag@Zn负极的对称电池的循环性能。(b)在高电流密度和限制容量（10mAcm–2、2mAhcm–2）下，具有裸露Zn、Ag@Zn和HDT-Ag@Zn负极的对称电池的循环性能。(c)在电流密度范围为1至20mAcm–2时，具有裸露Zn和HDT-Ag@Zn负极的对称电池的倍率性能。(d、e)经过不同循环次数后，裸露Zn和HDT-Ag@Zn负极的非原位SEM。（f）Zn//Cu、Ag@Zn//Cu和HDT-Ag@Zn//Cu半电池在1mAcm–2和1mAhcm–2下的库仑效率。（g）可视化最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）以及H2O和HDT分子的相应能级。（h）具有HDT-Ag@Zn负极的对称电池与最近报道的水系Zn对称电池的性能比较。

图4.(a)裸Zn、Ag@Zn和HDT-Ag@Zn的Tafel曲线。(b)裸Zn、Ag@Zn和HDT-Ag@Zn的线性扫描伏安法(LSV)曲线。(c)裸Zn和HDT-Ag@Zn之间Zn2+迁移数的比较。(d)不同负极的拟合阿伦尼乌斯曲线和计算的活化能(Ea)。(e)不同负极在−150mV过电位下的计时电流图，插图为负极上Zn2+2D扩散和3D扩散过程的示意图。(f、g)分别在HDT-Ag@Zn和裸Zn负极上Zn2+沉积过程的原位光学显微镜图。(h)裸露的Zn和HDT-Ag@Zn负极的原位pH。(i，j)由裸露的Zn和HDT-Ag@Zn负极组成的对称电池的原位EIS。

图5.(a)锌离子电池工作原理。(b)HDT-Ag@Zn//V2O5全电池的倍率性能。(c)0.6Ag–1至5Ag–1倍率下的恒流充放电曲线。(d)HDT-Ag@Zn//V2O5和裸Zn//V2O5全电池在5Ag–1下的长期循环性能。(e)静置24小时后HDT-Ag@Zn//V2O5和裸Zn//V2O5全电池的库仑效率对比。(f)不同扫描速率下HDT-Ag@Zn//V2O5全电池的CV曲线。(g)不同氧化还原峰处的log(i)vslog(v)拟合图。(h)不同扫描速率下电容控制和扩散控制过程的贡献率计算值。（i）HDT-Ag@Zn//V2O5全电池的Zn2+扩散系数。（j）船模和展示动力船模运动的数码照片。

研究结论

受水禽羽毛疏水特性的启发，本研究成功构建了类似羽毛的疏水-亲锌层。该策略利用亲锌-疏水协同机制(S-C效应)，在优化锌沉积动力学和抑制界面副反应方面取得了双重突破。HDT-Ag层促进锌的均匀沉积，有效抑制枝晶生长和副反应，例如活性水分子诱导的析氢反应(HER)。值得一提的是,以HDT-Ag@Zn负极组装的对称电池在1mAcm-2电流密度下(1mAhcm-2)表现出超过2600小时的超长循环稳定性，即使在10mAcm-2的高电流密度下也能稳定运行超过1100小时。此外，HDT-Ag@Zn//V2O5全电池表现出优异的循环和倍率性能，在5Ag–1的高电流密度下循环3500次后容量保持率达92.2%。跨尺度仿生设计与界面工程的结合有望激发未来的研究，并推动AZIB的持续发展。