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化材学院胡勇教授团队在《Advanced Energy Materials》发表高水平研究论文
【发布日期: 2024-03-19】 【来源:化材学院 】 【作者:刘欢欢】 【编辑:郝璞玉】 【点击量:

近日,化材学院胡勇教授等人在国际顶尖期刊《Advanced Energy Materials》(中科院1区Top,IF=27.8)在线发表题为《分层亲锌纳米棒阵列通过先捕获后填平沉积实现超稳定锌负极》(Arrays of hierarchical zincophilic nanorods with trapping-and-leveling deposition for ultrastable Zn metal anodes)的研究论文,证明了由氮掺杂碳包覆Cu5Zn8合金构筑的核壳纳米棒阵列(Cu5Zn8@NC)可以均匀负极界面离子通量并降低局部电流密度,实现超长的镀锌/剥离循环。


水系锌离子电池具有高安全性和低成本等优势,是当前最具前景的储能技术之一。然而,由于锌负极表面存在严重的枝晶、析氢副反应以及腐蚀等问题,极大地限制了锌离子电池的商业化应用。目前,基于电极/电解液界面电化学反应调控的表面修饰策略已被证明能有效稳定锌金属负极。其中,设计先进的微界面结构缓解锌枝晶的形成,对于确保锌离子电池在严苛测试条件下的长期运行至关重要。因此,在导电基底上构造三维多孔纳米结构增大比表面积,降低局部电流密度并提供丰富的锌离子沉积位点,可以有效解决锌负极存在的问题。

基于此,胡勇教授课题组报道了在泡沫铜上开发核壳纳米棒阵列稳定锌负极。该纳米棒阵列由氮掺杂碳包覆Cu5Zn8合金组成(Cu5Zn8@NC)。内层Cu5Zn8合金具有较小的成核能垒,可作为优先成核位点。分层阵列作为保护层,可容纳高容量的镀锌,通过“先捕获后填平”机制引导锌沉积。所得的保护层在均匀界面离子通量和降低局部电流密度方面起着重要的作用。优化后的Cu5Zn8@NC负极在5000次镀锌/剥离循环中库仑效率高达99.7%。对称电池在1 mA cm–2和1 mAh cm–2下具有7000小时的超长循环寿命,过电位仅为16.5 mV。组装的锌离子全电池在10000次充放电循环后,容量保持率高达89.2%。

DFT理论计算展示锌原子在Cu5Zn8表面的吸附能为–1.07 eV,说明这种合金组分可以作为亲锌位点进行优先成核,并在电场驱动下促进“自内向外”的镀锌过程。差分电荷密度再次表明锌在Cu5Zn8表面上存在比铜金属更为明显的电荷转移。此外,理论计算模拟了锌分别在Zn (002)、Cu (111)和Cu5Zn8 (110)晶面上相邻能量最小值的扩散路径。计算得到的Cu5Zn8扩散能垒为0.84 eV,远高于纯Zn(0.03 eV)和Cu(0.34 eV),证明合金有利于锌离子的沉积固定。有限元模拟结果表明,Cu5Zn8@NC有望均匀局部电场和浓度场分布,促进电极/电解液的充分接触。


(化材学院  刘欢欢)

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