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廈門(mén)大學(xué)最新AEM：金屬陽(yáng)極絕緣保護(hù)層，電池壽命增加30倍！

第一作者：Binbin Wei, Jiaxian Zheng

通訊作者：祁正兵，梁漢鋒，Appala Naidu Gandi

通訊單位：廈門(mén)大學(xué)

論文速覽：

水系鋅電池因其成本效益和高安全標(biāo)準(zhǔn)而備受關(guān)注。然而，鋅陽(yáng)極面臨著鋅枝晶生長(zhǎng)和包括腐蝕、析氫在內(nèi)的副反應(yīng)等問(wèn)題。本研究提出了一種通過(guò)在鋅陽(yáng)極上應(yīng)用保護(hù)涂層來(lái)增強(qiáng)其可逆性的直接而有效的方法。

與通常認(rèn)為保護(hù)層應(yīng)與鋅具有高親和力的觀點(diǎn)相反，本研究提出非導(dǎo)電涂層應(yīng)與H⁺離子形成強(qiáng)結(jié)合，同時(shí)與Zn²⁺離子保持較弱的相互作用，從而確保對(duì)H⁺的高選擇性。以二氧化鋯（ZrO₂）為例，這種離子導(dǎo)體滿(mǎn)足了這些標(biāo)準(zhǔn)，有效抑制了鋅的副反應(yīng)和枝晶生長(zhǎng)。

值得注意的是，涂覆有ZrO₂層的鋅陽(yáng)極在1 mA cm^?2和1 mAh cm^?2的條件下超過(guò)6000小時(shí)的壽命，顯著優(yōu)于壽命小于200小時(shí)的無(wú)涂層陽(yáng)極。這一發(fā)現(xiàn)為絕緣表面涂層的設(shè)計(jì)原則提供了新的思路，可能不僅適用于鋅，也適用于其他金屬陽(yáng)極。

圖文導(dǎo)讀：

廈門(mén)大學(xué)最新AEM：金屬陽(yáng)極絕緣保護(hù)層，電池壽命增加30倍！

圖1：鋅陽(yáng)極的HER和鋅枝晶生長(zhǎng)行為。

圖2：ZrO₂和Zn的表面特性與擴(kuò)散路徑。

圖3：ZrO₂涂層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

圖4：ZrO₂@Zn電極的電化學(xué)性能。

圖5：鋅鍍層的形貌和ZrO₂涂層的保護(hù)效果。

圖6：鋅/V₂O₅全電池的性能。

總結(jié)展望：

本研究提出了一種新型的非導(dǎo)電表面保護(hù)層設(shè)計(jì)原則，用于提高鋅金屬陽(yáng)極的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，理想的非導(dǎo)電涂層對(duì)H⁺有強(qiáng)結(jié)合力而對(duì)Zn²⁺有弱結(jié)合力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)H⁺的高選擇性，從而抑制HER和鋅枝晶生長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)和理論模擬均證實(shí)了ZrO₂涂層作為鋅陽(yáng)極保護(hù)層的優(yōu)越效果。特別是，ZrO₂涂層的鋅陽(yáng)極在1 mA cm^?2和1 mAh cm^?2的條件下壽命可超過(guò)6000小時(shí)，在10 mA cm^?2和10 mAh cm^?2的條件下壽命超過(guò)680小時(shí)，大大超過(guò)了未涂層陽(yáng)極的壽命。

此外，ZrO₂涂層并未影響Zn²⁺的插層化學(xué)，且在全電池測(cè)試中展現(xiàn)了更高的容量和穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作不僅為鋅陽(yáng)極保護(hù)提供了一種有效的策略，也可能對(duì)其他水系電池的穩(wěn)定性提升具有重要意義。

文獻(xiàn)信息：

標(biāo)題: Design Principle of Insulating Surface Protective Layers for Metallic Zn Anodes: A Case Study of ZrO₂

期刊：Advanced Energy Materials

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/04/18/ebfddd4ac2/

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