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陶占良教授Energy Storage Materials:两性离子作为双电层调节剂原位形成氟化界面实现稳定的锌阳极发布人: 时间:2023年11月15日 浏览次数:

来源:水系能源

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01 全文摘要

电极表面严重腐蚀和枝晶生长的问题阻碍了水系锌电池的商业化。电极表面稳定的固体电解质界面(SEI)对于提高锌负极的电化学性能至关重要。在此,南开大学陶占良教授团队开发了一种新型两性离子添加剂,作为具有SEI形成能力的双电层(EDL)调节剂。两性离子与Zn阳极优先吸附,构建快速Zn2+迁移通道。更重要的是,由于两性离子的优先电还原,可以在阳极上原位生成ZnF2 SEI层,这将Zn阳极与电解质隔离。因此,使用该电解质的对称电池在10 mA cm-2和10 mAh cm-2下能够保持超过600小时的长期循环稳定性。两性离子添加剂的优点在Zn||V2O5·nH2O全电池中得到进一步证明,1000次循环后容量保持率为~80%。

02 图文速递

图1:使用TMB-5和1 M ZnSO4电解质的恒电流循环性能


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(a-c)在1 M ZnSO4电解质中使用或不使用TMB添加剂,组装的Zn||Zn对称电池的循环性能(插图显示放大的电压-时间曲线)。(d)使用TMB-5电解质的Zn||Zn对称电池的倍率循环性能。(e)Zn||Cu不对称电池在TMB-5和1 M ZnSO4电解质中在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下的可逆性。(f)本工作与其他报道的工作之间Zn||Zn对称电池中CPC的比较。

图2:TMB在锌阳极上的电化学分解

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(a)H2O和TMB分子在Zn(002)上的吸附能;(b)TMB和H2O分子的HOMO/LUMO能级;(c,d)Zn和TMB(H2O)之间电荷密度差的空间分布。在TMB-5电解质中循环50次后,Zn阳极上的(e)Zn 2p和(f)F 1s的深度XPS光谱。(g-i)TEM图像和(j-l)HAADF图像以及在TMB-5电解质中循环的Zn阳极的相应元素图。

图3:电化学测量和表征

(a)以1 mV s-1的扫描速率测试线性扫描伏安曲线。(b)Zn阳极在不同电解质中循环50次后在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下的XRD图谱。Zn阳极在(c)1 M ZnSO4和(d)TMB-5电解质中循环50次后的横截面SEM图像。(e)不同电解质中锌阳极表面的双层电容。(f)不同电解质的锌离子迁移数的比较。(g)Zn||Zn对称电池在TMB-5和ZnSO4电解质中在1 mA cm-2下的初始Zn成核超电势。(h)TMB-5和ZnSO4电解质中的阿伦尼乌斯曲线和相应的活化能。

图4:直接观察循环过程中的锌沉积

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在2 mA cm-2和2 mAh cm-2下第10次循环后,TMB-5中的Zn沉积(a,b)和ZnSO4电解质中的Zn沉积(c,d)的异位SEM图像;在(e)TMB-5和(f)ZnSO4电解质中循环的Zn阳极的3D高度图像;(g)-150 mV下不同电解液中Zn沉积的CA曲线;在(h)ZnSO4和(i)TMB-5电解质中电流密度为5 mA cm-2时Zn沉积过程的原位光学显微镜图像;(j,k)TMB添加剂增强锌沉积过程的基本机制示意图。

图5:Zn||V2O5·nH2O全电池的电化学性能

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(a)TMB-5中Zn||V2O5·nH2O全电池在0.5 mV s-1下的CV曲线。(b)使用TMB-5和ZnSO4电解质的全电池的倍率性能。(c)全电池在TMB-5和ZnSO4电解质中在1 A g-1下的长期循环。使用(d)TMB-5和(e)1 M ZnSO4电解质的全电池在1 A g-1下的典型电压曲线。

03 研究结论

总之,两性离子TMB首先被开发为一种新型SEI形成能力电解质添加剂,用于抑制寄生反应并改善AZIBs中Zn阳极的沉积动力学。特别是,TMB可以优化EDL结构并调节Zn2+离子在Zn阳极界面的扩散,提供更快的Zn2+转移动力学。更重要的是,TMB比水分子优先被电还原,并在循环过程中协助形成ZnF2 SEI,保护层可以将Zn阳极与液体电解质隔离以抑制寄生反应。因此,在具有5wt%TMB添加剂的1 M ZnSO4电解液中可以实现具有无枝晶和均匀沉积形态的镀锌/剥离过程的高稳定性和可逆性。这项工作将两性离子扩展为一种新的 SEI 形成能力添加剂系列,用于开发水系金属电池。

04 原文链接

Zwitterion as Electrical Double Layer Regulator to in-situ formation of Fluorinated Interphase towards Stable Zinc Anode

Zhengtai Zha,Tianjiang Sun,Diantao Li,Tao Ma,Weijia Zhang,Zhanliang Tao*

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103059