基于相似相容原理的高稳定性锌粉负极
研究简介
锌粉负极的高热力学活性导致水系锌离子电池中副反应剧烈及析氢等问题，限制了其实际应用。本研究基于“相似相容”设计原则，提出了一种构建高稳定性锌粉负极的新策略。通过利用片状锌粉与片状石墨在形貌和结构上的相似性，开发出一种具有优异界面相容性的锌碳负极(ZP@FG)，从而显著提高电化学稳定性。电化学分析和模拟表明，ZP@FG通过有效调节局部电场分布，提供了稳定的界面，减少了寄生副反应，抑制了枝晶形成，并确保了锌沉积的均匀性。值得注意的是，采用ZP@FG电极的对称电池在1mAcm−2下实现了超过790小时的超长循环寿命。采用V₂O₅正极的全电池表现出优异的容量保持率，在7Ag−1电流密度下循环2400次后仍能保持超过130mAhg−1的容量。此外，采用高质量负载电极(18mgcm−2)的软包电池可稳定运行超过330次循环，累计容量高达25.3Ah，彰显出巨大的实际应用潜力。这项研究为开发适合商业化的高性能、长寿命锌负极提供了重要的见解和可扩展的方法。
图文导读
图1. a)不同FG-3500涂层厚度（5、10、15和20µm）的Zn粉电极与裸Zn粉电极的循环寿命比较。b)在1mAcm⁻2/0.5mAhcm⁻2下使用ZP和ZP@FG电极的Zn//Zn对称电池的电化学性能。c)在3mAcm⁻2/1.5mAhcm⁻2下使用ZP和ZP@FG电极的Zn//Zn对称电池的电化学性能。d)本研究与其他报道的表面涂层Zn电极的性能比较。e)ZP@FG电极的顶视图SEM图。f)ZP@FG电极的横截面SEM图。g、h)与(f)对应的Zn和C元素的EDS映射。i)ZP和ZP@FG电极的XRD图。j)ZP和ZP@FG电极的拉曼。
图2. a)ZP的SEM图。b)循环过程中ZP电极上的电场模拟。c)SuperP的SEM像。d)循环过程中ZP@SuperP电极上的电场模拟。e)MCNT的SEM图。f)循环过程中ZP@MCNT电极上的电场模拟。g)FG的SEM图。h)循环过程中ZP@FG电极上的电场模拟。
图3.a）0.5mAcm−2/0.25mAhcm−2时Zn//Cu电池中ZP和ZP@FG电极的库仑效率。b）1mAcm−2/0.5mAhcm−2时Zn//Cu电池中ZP和ZP@FG电极的库仑效率。c）用ZP和ZP@FG电极组装的Zn//Cu电池的循环伏安曲线。d）ZP和ZP@FG电极的塔菲尔图。e）ZP和ZP@FG电极的LSV曲线。f）1mAcm⁻2时Zn//Cu电池中ZP和ZP@FG电极的过电位比较。g）循环前ZP和ZP@FG电极的Nyquist图和相应的等效电路模型。h）在1mAcm−2下Zn沉积18分钟后ZP@FG电极的横截面SEM图。i)h)的放大图。j,k)i)对应的Zn、C元素的EDS映射图。
图4.a)ZP@FG电极在1mAcm−2下循环50小时后横截面SEM图。b)ZP@FG电极在1mAcm−2下循环50小时后表面SEM图。c)ZP和ZP@FG电极在1mAcm−2下循环50小时后XRD图。d)循环前和e)1mAcm−2下循环50小时后ZP和ZP@FG电极的XPS调查光谱。f)ZP和ZP@FG电极在1mAcm−2下循环50小时后FTIR光谱。g)Zn(002)/石墨(002)异质界面结构的侧面图。h)Zn(002)/石墨(002)异质界面结构的顶视图。i)Zn(002)/石墨(002)异质界面的差分电荷密度。j)ZP和k)ZP@FG电极的循环后界面结构示意图。
图5. a)ZP和ZP@FG电极组装的Zn//V₂O₅全电池在扫描速率为0.1mVs−1时的CV曲线。b)不同电流密度（1至10Ag−1）下全电池的倍率性能。c)2Ag−1下的长期循环性能。d)7Ag−1下的长期循环性能。e)全电池循环50小时后ZP@FG电极的SEM图。f)大面积ZP@FG电极的照片。g)由ZP@FG组装的CR2025纽扣全电池点亮的LED。h)由基于ZP@FG的软包全电池点亮的LED显示屏。i)阴极质量负载为5.4mgcm−2的基于ZP@FG的软包全电池在2Ag−1下的循环性能。j）基于ZP@FG的软包全电池在1Ag−1时正极质量负载为18mgcm−2的循环性能。
研究结论
基于相似相容设计原理，通过在鳞片石墨上均匀涂覆片状锌粉(ZP@FG)，开发出一种可扩展且坚固的锌粉负极。该策略有效地抑制了枝晶形成、析氢和电解质腐蚀。电化学分析表明，ZP@FG电极可实现均匀的锌沉积和稳定的循环，对称电池在1mAcm−2下可持续运行790小时以上。当将ZP@FG负极与V₂O₅正极集成到全电池中时，在7Ag−1下经过2400次循环后可提供130mAhg−1的高容量。此外，具有大面积ZP@FG电极的软包电池累计容量达到25.3Ah，表现出优异的实际适用性。这项研究为稳定锌负极提供了一种有效的电极设计策略，并推动了水系锌离子电池的商业化。