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麥立強(qiáng)/韓春華/劉熊AM：大規(guī)模制備的界面層實(shí)現(xiàn)多層和大面積鋅離子軟包電池

電解質(zhì)-負(fù)極界面處的電場(chǎng)分布不均勻和相關(guān)的鋅枝晶生長(zhǎng)是限制水系鋅離子電池（AZIBs）壽命的最關(guān)鍵障礙之一。

武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)、韓春華、鄭州大學(xué)劉熊等開(kāi)發(fā)了具有薄而均勻厚度、孔隙率和親水性的新型Zn-A-O(A = Si, Ti)界面層，以實(shí)現(xiàn)均勻和光滑的鋅沉積。

圖1 ZSO層的制備和表征

在這項(xiàng)工作中，由ZnSiO₃(ZSO)納米片陣列組成的薄界面層是通過(guò)簡(jiǎn)便的濕化學(xué)方法原位集成在Zn箔表面上。在反應(yīng)過(guò)程中，Zn²⁺因熱堿性溶液的腐蝕而溶出，達(dá)到一定濃度時(shí)與偏硅酸鹽離子成核，生長(zhǎng)成排列緊密的超薄納米片陣列，即“刻蝕-成核-生長(zhǎng)”過(guò)程。這種原位集成策略確保了界面層的均勻性及其與鋅箔連接的緊密性。通過(guò)保護(hù)致密且完全覆蓋的ZSO層，減輕了形成Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O的副反應(yīng)。

此外，ZSO納米片上均勻分布的微/中孔和層的親水性促進(jìn)了電荷/傳質(zhì)過(guò)程，從而降低了成核勢(shì)壘和極化。另外，均勻的納米片陣列結(jié)構(gòu)Zn²⁺通量均衡，增加了更多的活性成核位點(diǎn)，降低了局部電流密度，最終消除了“尖端效應(yīng)”。

圖2 ZSO層的作用研究

因此，Zn@ZSO負(fù)極的綜合性能處于先進(jìn)水平。采用Zn@ZSO的對(duì)稱(chēng)電池在1和5 mA cm^-2下運(yùn)行了1600和1520小時(shí)，分別是Zn//Zn對(duì)稱(chēng)電池的7.5倍和4.5倍。以Zn@ZSO為負(fù)極和大質(zhì)量負(fù)載K_0.27MnO₂·0.54H₂O (KMO, 8 mg cm^-2)為正極的全電池可在1C下穩(wěn)定循環(huán)400次。

此外，大規(guī)模制備的Zn@ZSO有助于多層和大面積軟包電池的組裝，0.5 Ah軟包電池的成功為大容量Zn-MnO₂電池提供一個(gè)可參考的模型。總之，這項(xiàng)工作開(kāi)發(fā)的低成本、可擴(kuò)展的合成方法，以及界面層結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)引導(dǎo)的光滑鋅沉積，有望為鋅負(fù)極界面層的綜合設(shè)計(jì)提供新的視角。

圖3 全電池和軟包電池性能

Large-Scale Integration of Zinc Metasilicate Interface Layer Guiding Well-Regulated Zn Deposition. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202202188

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