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“理工振兴”学术动态：物理学院在新型水系锌离子电池研究方面取得新进展

2023-12-22

近日，物理学院先进材料与能源器件团队与武汉理工大学合作，在水系锌离子电池储能研究方面取得新进展，相关工作“Selective Shielding of the (002) Plane Enabling Vertically Oriented Zinc Plating for Dendrite-Free Zinc Anode”以河北大学为第一单位发表在国际著名期刊《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202308577，IF=29.4），我校朱前程博士为第一和通讯作者，张文明教授和武汉理工大学刘金平教授为共同通讯作者。

水系锌离子电池（AZIBs）由于具有低成本、操作安全、环境友好和高容量等优点，被认为是未来新型储能系统的有力竞争者。然而，锌负极枝晶的生长是制约锌离子电池发展的关键难题。传统报道的抑制锌枝晶的方式是通过控制（002）晶面的沉积来获得平整的锌表面，然而（002）晶面的锌沉积动力学缓慢。前期研究表明（100）晶面的锌沉积动力学比（002）晶面甚至（101）晶面更快，如能实现（100）晶面的锌均匀沉积，将使得锌原子能够实现超快速的沉积/剥离。但是同时，快速的（100）晶面锌沉积很难得到控制，从而造成枝晶生长猖獗，因此，实现（100）晶面的锌均匀沉积充满挑战性。该工作通过引入磷酸单十二烷基酯钠盐（DLP）作为电解液添加剂，利用DLP中的磷酸基团的强极性选择性吸附于（002）晶面，而暴露的长链碳氢基团能够有效屏蔽（002）晶面的生长，从而促进了锌在（100）晶面的择优生长，最终在锌负极表面形成了垂直且致密的锌沉积层，抑制了锌枝晶的产生。得益于（100）晶面快速的锌沉积/剥离动力学，该工作实现了超高的锌沉积/剥离电流密度和高沉积容量，锌负极在50 mA cm^-2的超高电流密度下也能稳定循环。该工作为锌负极优选晶面沉积提供了新思路，为实现超快锌沉积/剥离、且无枝晶的锌负极提供了示范。

在近期的另一项工作中，朱前程博士和张文明教授等人从最根本的去溶剂化过程出发，设计了系列电解液添加剂，通过引入TEG分子作为添加剂，占据溶剂化壳中水分子的位置来调节溶剂化结构，进一步降低去溶剂能垒，从而有助于溶剂化水分子的解离，以及抑制水的分解和相关的副产物（Energy Storage Materials，2023, 63：102997，IF=20.4）；而正极方面的工作，该团队设计了一种大约3个原子层的氧化钒材料。该原子级厚度的类石墨烯氧化钒（GAVOH）能够实现超过700 mAh g-1的高容量。理论和电化学研究表明该材料储能的动力学行为表现出明显的赝电容行为（Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2211412，IF=19）。