水系鋅（Zn）離子電池由于其低成本和本征安全性，已經(jīng)吸引了越來越多的關(guān)注。然而，在零度以下的溫度下，緩慢的動力學(xué)嚴重地加劇了鋅枝晶的生長，這阻礙了它們在寒冷環(huán)境中的應(yīng)用。

南開大學(xué)王歡等制備了原子分散的Bi-N₄位點，以促進零下溫度下的鋅沉積動力學(xué)，用于高倍率和無枝晶的鋅金屬電池。

圖1. 鋅成核和沉積示意

這種獨特的結(jié)構(gòu)使高倍率和低溫的鋅金屬負極成為可能，因為它具有以下特點：

(i) Bi-N₄位點可以作為成核種子，引導(dǎo)Zn成核和沿面內(nèi)方向沉積；

(ii) Bi-N₄的最大暴露可以大大增加Zn成核的傳播；

(iii)不飽和協(xié)調(diào)Bi中心可以促進電子/電荷的快速轉(zhuǎn)移。這些因素共同促進了零下溫度下鋅金屬的成核動力學(xué)，有助于實現(xiàn)均勻沉積和穩(wěn)定循環(huán)。

圖2. 半電池性能

受益于動力學(xué)的提升，Bi-N₄物種在-30℃的溫度和5 mA cm^-2的條件下呈現(xiàn)出高度可逆和無枝晶的鋅沉積/剝離行為，1600次循環(huán)中平均庫侖效率為99.4%，并且在對稱電池中延長了壽命至600次。此外，低溫全電池也被證明在以0.5 A g^-1下循環(huán)1400次后具有近100%的容量保持?？傊?，這項工作顯示了單原子在操縱低溫金屬電池成核行為方面的可行性。

圖3. 低溫全電池性能

Enabling Low-Temperature and High-Rate Zn Metal Batteries by Activating Zn Nucleation with Single-Atomic Sites. ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c02042