Zn(002)织构界面的动力学调控提升Zn-I2电池性能

研究简介

锌离子电池的商业化应用受到负极不稳定性严重制约，析氢反应和Zn枝晶生长导致库仑效率低、循环寿命短。本文，我们提出了一种基于四磺化钴酞菁（CoPcS4）共轭体系的空间静电场层（EFL）动力学调控策略，以增强Zn(002)择优沉积。实验表征和理论计算证实，CoPcS4能够优先吸附在电极表面并形成稳定的固态电解质界面，避免锌负极与水系电解液的直接接触。CoPcS4的共轭平面结构进一步产生了非局域的EFL，促进了Zn2+的脱溶，加速了离子传输，并保证了电场分布的均匀性。此外，它还能有效促进Zn(002)择优沉积，并在循环过程中保持负极表面致密光滑。该策略在50mAcm−2的极端条件下，在Zn//Zn对称电池中实现了3500次循环的优异循环稳定性。在Zn//I2电池中，即使在50C的超高电流密度下，它也表现出了卓越的稳定性，凸显了其在大规模储能领域的巨大潜力。

图文导读

图1.a)ZnSO4和b)CoPcS4/ZnSO4电解质中内亥姆霍兹平面的示意图。c)ZnSO4和d)CoPcS4/ZnSO4电解质中的Zn沉积优先性

图2.a)CoPcS4的静电势图。b)静态接触角。c)FTIR光谱。d)1HNMR光谱和e)不同电解液的LSV曲线。f)Zn电极浸入不同电解液后的XRD，以及g、h)相应的SEM图像和i)XPS。j)H2O、CoPcS4和Zn2+与Zn和CoPcS4@Zn不同晶面的结合能。k)H2O和CoPcS4分子的HOMO和LUMO能级。

图3.使用不同电解液的电池的a)Tafel图、b)成核过电位曲线、c)EIS曲线和d)CA曲线。e)ZnSO4和g)CoPcS4/ZnSO4电解液在MD模拟中的快照，以及相应的界面f)Zn2+和h)H2O数密度。i)Zn2+与不同物种之间的结合能

图4.a)ZnSO4和b)CoPcS4/ZnSO4电解液中Zn沉积形态的演变。c、e)ZnSO4和d、f)CoPcS4/ZnSO4电解液中沉积后Zn表面的3D激光扫描显微镜和SEM图像。g)CoPcS4/ZnSO4电解液循环前和h)CoPcS4/ZnSO4电解液中Zn阳极表面的深度XPS光谱。i、k)ZnSO4和j、l)CoPcS4/ZnSO4电解液中Zn界面附近的电流密度和电场模拟。

图5.a)使用不同电解液的Zn//Cu非对称电池的CE曲线。b)使用不同电解液的Zn对称电池的倍率性能。c)20mAcm-2和d)50mAcm-2时Zn对称电池的电压曲线，容量为1mAhcm-2，插图为放大部分。e)XRD和f)其在不同电解质中500次循环后的Zn负极的放大视图。g)ZnSO4和h)CoPcS4/ZnSO4电解液中循环Zn负极的SEM图。i)循环可逆性和累积电镀容量(CPC)与电解液添加剂的比较。j)使用不同电解液的Zn//I2电池的倍率性能。k)使用不同电解液的Zn//I2电池在50C下的循环性能以及ZIBs供电的LED灯的照片。l)使用CoPcS4/ZnSO4电解液的Zn//I2电池的原位紫外可见光谱。

研究结论

本研究开发了一种EFL策略来设计锌离子电池中的高性能电解质体系。ZnSO4电解质中的CoPcS4添加剂实现了锌负极的定向沉积和稳定的可逆剥离。CoPcS4分子具有大的共轭结构，显著促进了水合锌离子的脱溶并增强了界面处的电荷转移能力，从而有效降低了界面阻抗并加速了Zn2+的沉积/剥离动力学。更重要的是，CoPcS4保护层调节了Zn2+在不同晶面上的生长动力学，促进了Zn(002)取向沉积并获得了光滑的锌负极表面。因此，采用CoPcS4/ZnSO4电解质的对称电池可以在50mAcm-2的高电流密度下保持超过3500次的稳定循环。采用CoPcS4/ZnSO4电解质的Zn//I2全电池在50C的高倍率下循环30,000次，保持了91.3％的高容量保持率。总体而言，CoPcS4/ZnSO4电解质显著提高了锌负极的稳定性、电荷转移能力和循环寿命，为开发高性能、无枝晶的锌基储能系统提供了一种高效可行的策略