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?北化工AEM：Sn/TiO2 納米粒子在空心介孔碳球蛋白石中的空間限制用于穩(wěn)定鋅金屬負極

水系鋅金屬電池由于其低成本、高安全性和環(huán)境友好等優(yōu)點在儲能領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景。然而，緩慢的Zn²⁺擴散和高的成核能壘導(dǎo)致無序的Zn枝晶生長和有害的副反應(yīng)，嚴重阻礙了Zn金屬負極(ZMAs)的商業(yè)化發(fā)展。

在此，北京化工大學(xué)于樂團隊將具有受限 Sn/TiO₂ 簇的中空介孔碳球蛋白石（HMCSST）作為空間調(diào)節(jié)鋅沉積的主體。具體而言，由于有序分層多孔結(jié)構(gòu)的毛細管效應(yīng)可顯著促進 ZMA 和電解質(zhì)界面的快速沉積動力學(xué)。此外，封裝的超細 Sn/TiO₂ 簇可作為親鋅位點，實現(xiàn)分層多孔蛋白石基質(zhì)上均勻的 Zn 沉積。

基于此，HMCSST 主體有效降低了活化能，從而實現(xiàn)了 Zn 成核和生長的時空有序化。結(jié)果顯示，穩(wěn)定的 HMCSST-Zn 電極可確保在對稱電池中以 37.5% 的放電深度實現(xiàn)穩(wěn)定的 Zn 沉積/剝離，并具有超過 1300 小時的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，HMCSST-Zn||釩酸銨全電池在 10.0 A g^?1 和低極化條件下表現(xiàn)出超過 5000 次循環(huán)的長壽命。

圖1. 作用機制示意圖

總之，該工作報告了將 HMCSST 組成的有序蛋白石框架作為穩(wěn)定 ZMA 的親鋅主體。具體而言，HMCSST 的高度有序的分層多孔結(jié)構(gòu)提供了強大的毛細管效應(yīng)，可顯著加速擴散動力學(xué)。此外，HMCSST 主體的 3D 空心球陣列具有足夠的空隙空間，可以控制電場分布，以實現(xiàn)均勻的鋅沉積/剝離。HMCSST 主體中封裝的 Sn/TiO₂ 親鋅位點可以增強 Zn 原子的吸附并降低 HER 催化活性。因此，HMCSST 主體能夠?qū)崿F(xiàn)金屬鋅的時空有序沉積，抑制鋅枝晶生長和副反應(yīng)，同時表現(xiàn)出優(yōu)異的電池性能。

圖2. 電池性能

Spatial Confinement of Sn/TiO2 Nanoparticles in Hollow Mesoporous Carbon Spheres Opal for Stable Zn Metal Anodes, Advanced Energy Materials 2024 DOI: 10.1002/aenm.202304138

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