於樂樓雄文今日Angew：好看又實用，TiOxZnN-C鋅負極

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第一作者：

Peng Xiao Sun

通訊作者：於樂，樓雄文

通訊單位：北京化工大學，南洋理工大學

論文

DOI：https：//doi。org/10。1002/anie。202115649

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鋅枝晶的不受控生長和副反應是鋅金屬負極商業化的主要限制因素。在此，作者開發了一種TiOx/Zn/N摻雜碳的反蛋白石（表示為TZNC IO）主體來調節Zn沉積。無定形TiOx和Zn/N摻雜碳，可以作為親鋅成核位點，來防止寄生反應。更重要的是，高度有序的IO主體使區域性電流密度和電場均勻化以穩定Zn沉積。此外，三維開放網路可以調節鋅離子通量，從而在大電流密度下實現穩定的迴圈效能。由於豐富的親鋅位點和開放結構，可以實現粒狀鋅沉積。正如預期的那樣，TZNC IO 主體在1mA cm-2的電流密度下，保證了穩定的Zn電鍍/剝離，並具有超過450小時的長期穩定性。作為概念驗證演示，TZNC@Zn||V2O5全電池在5。0 A g-1下顯示出超過2000次迴圈的長壽命。

背景介紹

近年來，全球能源危機和環境惡化促進了安全可靠的儲能系統（

EES）的發展。在可用的候選者中，水性可充電鋅離子電池（ZIBs）由於其安全性而被認為是最具競爭力的裝置之一。金屬鋅，因其理論比

容量高（820 mAh g-1）、還原電位低（-0。76V vs。SHE），而被認為是ZIBs最

理想的負極選擇。然而，鋅金屬負極（ZMAs）的實際應用仍面臨著枝晶生長、表面鈍化和寄生反應等嚴峻挑戰。因此，使用ZMA的鋅金屬電池（ZMB）表現出較差的迴圈壽命和低庫侖效率（CE）。具體而言，具有平整表面的商用鋅箔，由於其電場不均勻和不規則缺陷或尖端，可能會導致鋅枝晶的形成和生長，以及析氫反應（HER）。特別是，不受控制地形成具有高楊氏模量的Zn枝晶，可以刺穿隔板，產生內部短路。此外，ZMAs在重複的Zn電鍍/

剝離過程中，理論上會發生無限的體積變化，這會產生不致密和多孔的電沉積。最終，巨大的體積變化可能導致活性物質的分離和快速的容量衰減。

最近，科學界已經提出了幾種鼓舞人心的策略來解決上述障礙，例如電解質最佳化、介面工程和鋰金屬負極

（LMA）的三維（3D）架構設計。在可行的方法中，科學界已經認識到用修

飾的親鋅物質（TiO2、吡咯N、Zn等）構建碳質主體（碳布、碳纖維等）。與平面集流體相比，具

有足夠接觸面積的3D主體，可以最小化區域性電流密度並減少重複鍍鋅/剝離過程中的體積變化。親鋅設計提供了熱力學驅動力，用於促進Zn成核和自擴散過程，並防止HER的發生。然而，沒有有序空間結構的3D主體的隨機組裝微/奈米結構，通常會導致不均勻和不受控制的電場分佈，和不均勻的Zn離子通量。此外，惰性主體不可避免地佔據了複合陽極的重量和體積，降低了整個器件的能量密度。由於高催化活性，奈米尺度的主體可能會加速副反應的反應動力學。因此，需要進一步探索成分控制，以改善3D主體的親鋅性質。

圖文解析