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博士畢業(yè)不到3年,晉升教授,中科大任曉迪,最新Nature子刊:效率高達99.7%!

博士畢業(yè)不到3年,晉升教授,中科大任曉迪,最新Nature子刊:效率高達99.7%!
第一作者:Qingshun Nian
通訊作者:任曉迪
通訊單位:中國科學技術(shù)大學
論文速覽
不可控的鋅沉積和析氫極大地破壞了鋅陽極的可逆性。之前的電解質(zhì)設(shè)計集中于抑制H2O反應(yīng)性,然而,在電池日歷老化和循環(huán)過程中堿性副產(chǎn)物的積累仍然會惡化電池性能。
本論文針對可充水系鋅電池(RAZBs)中鋅陽極的可逆性問題,提出了一種新的策略。
研究團隊通過在傳統(tǒng)水系電解液中加入強Br?nsted酸—雙(三氟甲烷磺酰)亞胺(HTFSI)作為添加劑,成功地改善了鋅陽極的界面化學,抑制了鋅的持續(xù)腐蝕反應(yīng),并促進了均勻的鋅沉積。
這種富含疏水性TFSI-陰離子的電解液在鋅|電解液界面創(chuàng)造了一個貧水微環(huán)境,從而抑制了鋅的腐蝕反應(yīng),并誘導(dǎo)形成了富含ZnS的界面。這種高酸性電解液展示了高達99.7%的鋅沉積/剝離庫侖效率,并在1 mA cm–2的電流密度下表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。
此外,Zn || ZnV6O9全電池在2000個循環(huán)后展示了76.8%的高容量保持率。
圖文導(dǎo)讀
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圖1:鋅表面反應(yīng)機理圖。
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圖2:通過分子結(jié)構(gòu)圖、靜電勢圖、pH監(jiān)測、SEM和EDS元素分布,HTFSI添加劑對鋅金屬自腐蝕反應(yīng)的影響,以及對電解液pH、電極表面產(chǎn)物和鋅沉積的影響。
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圖3:不同電解液中鋅沉積/剝離的電化學穩(wěn)定性測試結(jié)果。
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圖4:陽極和陰極的表征。
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圖5:Zn || ZVO全電池在不同電解液中的電化學性能。
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圖6:1 m ZnSO4 + 0.1 m HTFSI電解液中鋅-電解質(zhì)界面的界面研究。
總結(jié)展望
本研究成功地通過在電解液中加入強Br?nsted酸HTFSI,顯著提高了鋅金屬陽極的可逆性和穩(wěn)定性。通過創(chuàng)建一個疏水的界面環(huán)境和富含ZnS的保護層,有效地抑制了鋅的腐蝕反應(yīng)和不均勻沉積。
這項工作不僅為提高RAZBs性能提供了新的策略,也為其他金屬陽極的穩(wěn)定性改進提供了有價值的見解。未來的研究可以進一步探索類似的策略,以實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的能源存儲系統(tǒng)。
文獻信息
標題:Highly reversible zinc metal anode enabled by strong Br?nsted acid and hydrophobic interfacial chemistry
期刊:Nature Communications
DOI:10.1038/s41467-024-48444-5

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