近期，江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院劉天西教授團隊在金屬氧化物氣凝膠穩(wěn)定水系鋅離子電池Zn金屬負極方面的研究取得突破性進展。該團隊在Advanced Energy Materials上發(fā)表重要學(xué)術(shù)論文“Metal Oxide Aerogels: A New Horizon for Stabilizing Anodes in Rechargeable Zinc Metal Batteries（Advanced Energy Materials, 10.1002/aenm.202300331）”，第一作者為碩士研究生史振海，通訊作者為劉天西教授、陳蘇莉副教授、阿卜杜拉國王科技大學(xué)Husam N. Alshareef教授和廣東工業(yè)大學(xué)張文禮教授。
水系鋅離子電池由于其固有的環(huán)保、高安全和低成本等優(yōu)勢，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。Zn金屬具有高理論比容量（820 mAh g-1），低氧化還原電位(-0.78 V vs SHE)和極豐富的自然儲量等優(yōu)點而被視為最有前途的水系鋅基電池負極材料。然而，由于商業(yè)鋅箔表面的不均勻性，導(dǎo)致Zn負極表面電場不均勻，從而使Zn2+優(yōu)先沉積在尖端區(qū)——“尖端效應(yīng)”，最終造成鋅枝晶的猖獗生長。此外，界面副反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物Zn4SO4(OH)6·xH2O等會嚴重破壞電極表面均勻性，進一步加劇枝晶生長，這將導(dǎo)致Zn負極不可逆的容量損失和壽命衰減，嚴重限制了其商業(yè)化應(yīng)用。劉天西教授團隊提出了采用富氧空位CeO2氣凝膠（VAG-Ce）做界面層穩(wěn)定Zn金屬負極的新策略，利用其高Zn2+選擇性和高孔隙率的特點，有效解決了枝晶生長和界面副反應(yīng)問題，實現(xiàn)了Zn負極在高放電深度下的長循環(huán)穩(wěn)定性。一方面，高孔隙率的VAG-Ce界面層作為離子篩可以為Zn2+提供快速的傳輸通道并均勻化界面Zn2+通量，調(diào)控Zn2+沉積行為以實現(xiàn)均勻的Zn沉積。另一方面，暴露在VAG-Ce表面的豐富氧空位可以有效捕獲電解液中的SO42-并形成電負性界面層，隨后排斥鋅負極周圍剩余的SO42-陰離子并吸引Zn2+，可以從根本上抑制寄生反應(yīng)的發(fā)生，同時加速Zn2+遷移動力學(xué)?；谏鲜鰞?yōu)勢，VAG-Ce修飾的Zn負極表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1 mA cm-2下具有超過4000小時的長循環(huán)穩(wěn)定性，甚至在85%的高Zn利用率下，在8 mA cm-2電流密度下依然可以穩(wěn)定循環(huán)1200小時以上，實現(xiàn)了Zn負極在超高放電深度下的長循環(huán)穩(wěn)定性。該項研究工作不僅為開發(fā)無枝晶和無腐蝕的高穩(wěn)定性先進Zn金屬負極材料提供了新視野，還將推進氣凝膠材料在水系二次電池領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
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