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先進(jìn)院韓翠平Angew:富氟雙保護(hù)層實(shí)現(xiàn)高可逆水系鋅離子電池

先進(jìn)院韓翠平Angew:富氟雙保護(hù)層實(shí)現(xiàn)高可逆水系鋅離子電池
鋅金屬負(fù)極(ZMA)的熱力學(xué)不穩(wěn)定性和副反應(yīng),特別是在高電流密度下,極大阻礙了水系鋅離子電池(AZIBs)商業(yè)化發(fā)展。
先進(jìn)院韓翠平Angew:富氟雙保護(hù)層實(shí)現(xiàn)高可逆水系鋅離子電池
在此,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院韓翠平團(tuán)隊(duì)提出了一種富氟雙保護(hù)層策略,即通過(guò)在水性電解液中引入一種多功能的十四氟壬烷-1,9-二醇(TDFND)添加劑來(lái)獲得AZIBs的高可逆性。
具體而言,具有較大吸附能(-1.51eV)的TDFND分子優(yōu)先吸附在Zn負(fù)極表面,形成Zn(OR)2-(R=-CH2-(CF2)7-CH2-)交聯(lián)復(fù)合網(wǎng)絡(luò),平衡空間電場(chǎng)并控制Zn2+離子通量,從而實(shí)現(xiàn)Zn(002)晶面的均勻致密沉積。同時(shí),TDFND的低LUMO(, 0.10eV)能級(jí)被預(yù)先分解,通過(guò)構(gòu)建富含ZnF2的固體電極/電解質(zhì)界面(SEI)層來(lái)調(diào)節(jié)ZMA界面化學(xué)性質(zhì)。
結(jié)果顯示,14nm厚的SEI層具有出色的結(jié)構(gòu)完整性,可通過(guò)阻止活性水與ZMA的直接接觸來(lái)抑制副反應(yīng)。因此,在10mA/cm2條件下,鋅電極的循環(huán)壽命超過(guò)430h;在5mA/cm2條件下,平均庫(kù)侖效率高達(dá)99.8%。此外,68mAh軟包電池在1000次循環(huán)中的容量保持率為80.3%
先進(jìn)院韓翠平Angew:富氟雙保護(hù)層實(shí)現(xiàn)高可逆水系鋅離子電池
圖1. Zn在BE和BE+5 mM TDFND電解質(zhì)中的電鍍/剝離行為比較
總之,該工作提出了一種有效的富氟雙保護(hù)層策略,通過(guò)使用含有富-CF2和-OH端基的多功能TDFND添加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)AZIB的可逆性。基于詳細(xì)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表征,證明了具有較大吸附能(-1.51eV)的TDFND分子能優(yōu)先吸附在Zn表面,并形成基于Zn(OR)2-交聯(lián)中心的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),從而調(diào)節(jié)Zn2+離子通量,誘導(dǎo)Zn(002)晶面均勻致密沉積。
此外,在還原過(guò)程中,具有低 LUMO(0.10eV)能級(jí)的TDFND會(huì)被事先分解,通過(guò)構(gòu)建富ZnF2的SEI層來(lái)調(diào)節(jié)Zn的界面化學(xué)性質(zhì)。富F雙保護(hù)層的協(xié)同作用完美解決了Zn負(fù)極出現(xiàn)的棘手問(wèn)題。
因此,基于這一設(shè)計(jì)原理,多功能TDFND分子可應(yīng)用于其他水性電池(如鈣離子電池、鋁離子電池)的水性電解質(zhì),這種富F雙保護(hù)層方法為穩(wěn)定Zn負(fù)極和開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命AZIB提出了一種簡(jiǎn)便有效的界面定制策略。
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圖2. BE+5 mM TDFND電解質(zhì)中的Zn||I2全電池的電化學(xué)性能
Engineering Fluorine-rich Double Protective Layer on Zn Anode for Highly Reversible Aqueous Zinc-ion Batteries,Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202314883

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