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南洋理工范紅金教授EnSM：基于3D親鋅微支架實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋅沉積！

水系鋅離子電池是一種有前途的安全、低成本儲(chǔ)能技術(shù)。然而，由于鋅枝晶生長(zhǎng)、副反應(yīng)和寄生副產(chǎn)物，使用金屬鋅負(fù)極的鋅電池循環(huán)壽命較差。

在此，新加坡南洋理工大學(xué)范紅金教授等人設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的基于3D多孔碳纖維（PCF）的具有Sn改性的微支架（Sn-PCF）并將其用作鋅金屬負(fù)極的3D主體，從而成功地抑制有害的析氫和枝晶的形成，最終提高水系鋅電池的循環(huán)性能。研究表明，3D交聯(lián)導(dǎo)電碳纖維網(wǎng)絡(luò)與高度親鋅的Sn納米點(diǎn)相結(jié)合，通過(guò)均勻電流密度和Zn²⁺通量有效消除了“尖端效應(yīng)”，并為枝晶構(gòu)建了物理限制。

實(shí)驗(yàn)和DFT計(jì)算表明，金屬Sn表現(xiàn)出很強(qiáng)的Zn²⁺吸附和高Zn²⁺表面擴(kuò)散勢(shì)壘，這是在單個(gè)纖維上調(diào)節(jié)成核和均勻Zn沉積的關(guān)鍵。同時(shí)，由于降低了Sn表面的析氫反應(yīng)傾向，也消除了由ZSH副產(chǎn)物引起的鈍化。因此，這些優(yōu)點(diǎn)協(xié)同促進(jìn)了高度可逆的鋅電鍍/剝離。

圖1. Sn-PCF的制備和形態(tài)

因此，在Sn-PCF上獲得了穩(wěn)定的Zn電鍍/剝離行為，在1和5 mA cm^-2的電流密度時(shí)的平均CE值分別約為95.0% 和98.2%。對(duì)比之下，基于銅箔或PCF的半電池會(huì)迅速失效，CE值極低且不穩(wěn)定。在電流密度為10 mA cm^-2、面積容量為5 mAh cm^-2條件下，Sn- PCF@Zn仍然表現(xiàn)出超過(guò)500小時(shí)的延長(zhǎng)循環(huán)壽命，電壓滯后為47 mV，遠(yuǎn)長(zhǎng)于PCF@Zn（~60小時(shí)）。

甚至，Sn-PCF@Zn||NaVO全電池在10 A g^-1的電流密度下初始放電容量也高達(dá)174 mAh g^-1，并且在2500次循環(huán)后仍可保持73.5% 左右的高容量保持率（即每個(gè)循環(huán)的容量衰減率為0.010%）?？傊摬呗詾榻鉀Q鋅負(fù)極的關(guān)鍵問題并促進(jìn)長(zhǎng)壽命水系鋅電池的發(fā)展提供了理想的解決方案。

圖2. Sn-PCF@Zn||NaVO全電池的電化學(xué)性能

3D zincophilic micro-scaffold enables stable Zn deposition, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.06.050

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