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港理工張標AEM: 彈性體-藻酸鹽界面實現(xiàn)創(chuàng)紀錄累積面容量的鋅負極！

鋅的自發(fā)腐蝕和不受控制的枝晶積累會迅速降低鋅金屬電池的性能，研究人員已經提出了人工界面的方法來穩(wěn)定鋅金屬負極。然而，大多數(shù)界面對離子轉移是有害的，并且對鋅電鍍/剝離過程中的空間變化適應性很差。

為此，香港理工大學張標教授等人設計了一種由熱塑性聚氨酯（TPU）纖維基底和海藻酸鋅（ZA）填料組成的混合界面，并將其作為負極和電解液之間的物理屏障以抑制副反應。其中，直徑范圍在1~3 μm之間的交織TPU纖維是通過直接在清潔的鋅箔上靜電紡絲生產的。TPU基底表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性，可以彎曲、扭曲、折疊、卷曲等。特別是，它表現(xiàn)出超過400% 的出色拉伸應變，并且在卸載應力后迅速恢復。

此外，ZA是使用市售的海藻酸鈉作為前體通過Zn和Na離子之間的簡單離子交換制備的。研究表明，ZA通過在混合界面下方誘導電鍍/剝離來調節(jié)Zn²⁺傳輸并賦予均勻的Zn沉積。同時，TPU框架充當超彈性約束，進一步抑制猖獗的枝晶生長并容納大量沉積的Zn。

圖1. Zn@TPZA的合成與表征

因此，結合TPU和ZA的優(yōu)點，改性鋅負極（Zn@TPZA）在高電流密度下表現(xiàn)出更長的電池壽命。在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2和10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2條件下，Zn@TPZA//Zn@TPZA對稱電池的壽命可分別延長至1200和500小時，而Zn//Zn對稱電池的壽命僅為140和60小時。

此外，Zn@TPZA負極在具有挑戰(zhàn)性的倍率下具有令人印象深刻的累積面容量（6000 mAh cm^-2@5 mA cm^-2和5000 mAh cm^-2@10 mA cm^-2），在迄今為止所有界面改性的Zn負極中最高。

甚至，基于Zn@TPZA負極與釩基正極的全電池也表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，在10 A g^-1下循環(huán)2000次后仍保持168 mAh g^-1的容量?？傊撗芯拷沂玖虽\負極人工界面的關鍵特征，并通過設計彈性體和離子導電聚合物復合材料提供了可行的構建方法。

圖2. 基于Zn@TPZA負極的全電池性能

Elastomer–Alginate Interface for High-Power and High-Energy Zn Metal Anodes, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200318

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