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?中南/南大EES: 選擇性刻蝕高活性 (002) Zn 面可實(shí)現(xiàn)高效水系鋅金屬電池

鋅金屬水溶液電池（AZMB）具有安全性高、容量大、環(huán)保、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)全球電氣化進(jìn)程中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，鋅（Zn）在水溶液電解質(zhì)中的高反應(yīng)活性會(huì)導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)、水引發(fā)的副反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致鋅的穩(wěn)定性差、可逆性差，極大地限制了 AZMB 的實(shí)際應(yīng)用。

在此，中南大學(xué)常智，潘安強(qiáng)、南京大學(xué)周豪慎等人通過(guò)選擇性蝕刻普通鋅箔中的活性（002）鋅面，可以有效地鈍化鋅金屬，從而抑制鋅枝晶的形成和水引發(fā)的副產(chǎn)物，最終顯著提高鋅金屬的穩(wěn)定性和可逆性。因此，在4500 次的超長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中，即使在 10 mA cm^-2 的侵蝕條件下，刻蝕鋅的平均庫(kù)侖效率（CE）也提高到了 99.94% 的高水平。

基于刻蝕鋅的 NH₄V₄O₁₀//Zn 軟包電池的比容量高達(dá) 317.3 mAh g^-1，即使在循環(huán) 350 次后仍能保持 85.2% 的容量。此外，一種更實(shí)用的 0.124 Ah NH₄V₄O₁₀//Zn 軟包電池在循環(huán) 80 次后仍能保持 91.23% 的高容量。

圖1. 選擇性刻蝕裸鋅箔中存在的 (002) Zn 的重要性

總之，該工作避免了構(gòu)建具有高比例（002）Zn 晶面和/或具有強(qiáng)（002）織構(gòu)的各種 Zn 金屬的常見(jiàn)策略，創(chuàng)新性地在原始 Zn 金屬中選擇性地蝕刻掉化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的（002）Zn 面，從而實(shí)現(xiàn)了 Zn 金屬的化學(xué)鈍化。研究表明，蝕刻后的 Zn 具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，具有規(guī)則垂直排列的 Zn 柱，能有效抑制 ZHS 在水系電解液中的生長(zhǎng)，促進(jìn)鋅離子沿著垂直的 Zn 柱成核和生長(zhǎng)，從而徹底消除 Zn 枝晶，提高金屬鋅負(fù)極的可逆性和使用壽命。因此，基于刻蝕鋅的鋅/銅電池實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，在 10 mA cm^-2的條件下，循環(huán)次數(shù)超過(guò) 4500 次，平均 CE 值高達(dá) 99.94%。此外，基于蝕刻鋅的 PANI-V₂O₅//Zn (PVO//Zn) 電池在超長(zhǎng)的 2000 次循環(huán)中實(shí)現(xiàn)了超穩(wěn)定的循環(huán)性能。

基于刻蝕鋅的NH₄V₄O₁₀//Zn （NVO//Zn）軟包電池的比容量高達(dá) 317.3 mAh g^-1，即使在循環(huán) 350 次后仍能保持 85.2% 的容量。更實(shí)用的 NVO//Zn 軟包電池輸出容量高達(dá) 0.124 Ah，80 次循環(huán)后容量保持率為 91.23%。因此，該項(xiàng)工作展示的策略將為提高鋅金屬的穩(wěn)定性和可逆性打開(kāi)一扇新的大門(mén)，并加速 AZMB 的商業(yè)化進(jìn)程。

圖2. 基于刻蝕鋅金屬的水基鋅金屬電池的電化學(xué)性能

Selectively Etching-off Highly Reactive (002) Zn Facet Enable Highly Efficient Aqueous Zinc-metal Batteries，Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee02522e

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