在锌负极上原位构建多功能固体电解质界面(SEI)有望解决水系锌离子电池(ZIBs)中的Zn枝晶生长和副反应(Zn腐蚀和析氢)等问题。
近日,通过综合考虑界面沉积和迁移动力学,上海交通大学罗加严教授,天津大胡正林报道了与Zn基体具有超高界面能的Zn3(PO4)2在抑制Zn枝晶生长方面具有极大的潜力,而ZnF2在促进Zn2+迁移和沉积动力学方面具有独特的优点。在此基础上,以KPF6为电解质添加剂,在锌负极上原位构建了以Zn3(PO4)2和ZnF2(ZCS)为主的复合SEI。
文章要点
1)研究人员利用KPF6在水环境中的热力学不稳定性,通过锌金属与PF6-分解生成的活性酸性化合物的自发化学反应,成功绕过难处理的电化学策略,构建了ZCS。得到的ZCS具有多种功能:i)加速Zn2+的去溶剂化和转移过程,降低成核过电位;ii)抑制Zn腐蚀和析氢(HER)等副反应;iii)促进沉积的Zn金属的横向生长。
2)实验结果显示,在ZCS的辅助下,Zn-Zn对称电池在1 mA cm-2的电流密度下可以稳定地长时间循环2000 h以上。更重要的是,ZCS-Zn在满足实际应用中大电流、大容量、长寿命等苛刻条件方面显示出巨大的潜力。与以往报道的基于弱酸性水溶液的情况相比,ZCS-Zn的累积容量(2020 mA h cm-2)和最大电流密度与面积电容的乘积(10 mA cm-2×20 mA h cm-2)都达到了创纪录的水平。即使在80%的高DOD下,含ZCS-Zn的对称电池仍可提供120 h的延长镀锌/剥离过程。此外,基于ZCS-Zn负极的Zn|MnO2电池和Zn|AC混合超级电容器在高容量保持率下也具有出色的倍率和循环性能。
这项研究所开发的ZCS的方法成本低、操作简单,适合大规模推广,有利于水系ZIBs的大规模实际应用。
参考文献
Y. Chu, S. Zhang, S. Wu, Z. Hu, G. Cui and J. Luo, In-situ Built Interphase with High Interface Energy and Fast Kinetics for High Performance Zn Metal Anodes, Energy Environ. Sci., 2021
DOI: 10.1039/D1EE00308A
https://doi.org/10.1039/D1EE00308A