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西北師大彭輝、馬國富教授團隊《ACS AMI》：鋅負極結(jié)構(gòu)調(diào)控構(gòu)筑高穩(wěn)定鋅離子電容器

時間：2023-02-09 來源： 瀏覽：

西北師大彭輝、馬國富教授團隊《ACS AMI》：鋅負極結(jié)構(gòu)調(diào)控構(gòu)筑高穩(wěn)定鋅離子電容器

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#水平陽極氧化 2 個
#抑制鋅枝晶生長 2 個
#氧化鋅納米線陣列 2 個
#鋅離子電容器 2 個

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與鋰、鈉和鉀等堿金屬相比，鋅 (Zn) 金屬具有更低的成本、更高的安全性和在水環(huán)境中的優(yōu)異穩(wěn)定性。此外， Zn 還具有較高的理論容量 (820 mAh g -1 ) 、較低的電位 (-0.762 V ，參比于標(biāo)準氫電極 ) 和固有的不易燃性等優(yōu)點。由碳基正極和鋅金屬負極組成的鋅離子電容器因其固有的安全性和高功率輸出而成為具有前景的儲能器件之一。然而，由于鋅枝晶的形成導(dǎo)致其循環(huán)穩(wěn)定性差，以及活性炭性能不足導(dǎo)致的低能量密度仍然是高性能鋅離子電容器開發(fā)所面臨的主要挑戰(zhàn)。

近日，西北師范大學(xué)彭輝、馬國富教授課題組在抑制鋅枝晶生長方面取得新進展，相關(guān)成果以標(biāo)題為 “Alleviating Zn Dendrites by Growth of Ultrafine ZnO Nanowire Arrays through Horizontal Anodizing for High-Capacity, Long-Life Zn Ion Capacitors” 發(fā)表在 ACS Applied Materials & Interfaces 。此工作中，該課題組提出了一種簡單有效的水平恒電位陽極氧化技術(shù)在鋅箔上生長三維 ZnO 納米線陣列 (ZnO@Zn) 來緩解 “ 邊緣效應(yīng) ” 和抑制副反應(yīng)及鋅枝晶。電化學(xué)表征和原位光學(xué)顯微鏡觀察表明， ZnO 納米線陣列的引入可以顯著抑制鋅枝晶的生長，提高鋅負極的循環(huán)穩(wěn)定性。超細交錯的 ZnO 納米線陣列為 Zn 金屬負極提供了均勻的成核位點和高電導(dǎo)率，降低了局部電流密度，促進了 Zn 離子在 Zn 負極表面的快速擴散和遷移。因此， ZnO@Zn 電極具有非常低的形核過電位和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，遠優(yōu)于裸鋅負極。此外，以 ZnO@Zn 負極和 N,P 共摻雜硬碳 (NPHC) 正極組裝成的 ZnO@Zn//NPHC 鋅離子電容器在 0.1 A g -1 的比容量為 110.3 mAh g -1 ，并在 20,000 次循環(huán)后獲得了 90% 容量保留率和 100% 庫倫效率的出色循環(huán)穩(wěn)定性。
圖 1 . 負極合成和相關(guān)物理表征： (a) ZnO@Zn 負極合成過程示意圖， (b) XRD 表征， (c) 裸 Zn 負極 SEM 表征， (d-g) ZnO@Zn 負極 SEM 表征
為了進一步直觀地評價生長在鋅箔上的 ZnO 納米線陣列對 Zn 枝晶的抑制效果，在相同的試驗條件 (1 M ZnSO 4 , 10 mA cm -2 ) 下，采用帶數(shù)碼相機的原位光學(xué)顯微鏡觀察了組裝好的 Zn//Zn 對稱池和 ZnO@Zn//ZnO@Zn 對稱池中 Zn 的鍍鋅 / 剝鋅行為。從圖 2 可以看出，在 10 mA cm -2 電流密度下電鍍 10 min 后，裸鋅表面形成并分布有深色的鋅晶粒。在后續(xù)的電鍍 / 剝離過程中，裸露的 Zn 表面聚集了苔蘚狀的 Zn 枝晶，說明 Zn 離子優(yōu)先沉積在初始突起的尖端，局部電流密度較大。相比之下，在相同的鍍鋅 / 剝鋅時間下， ZnO@Zn 電極表面基本光滑，幾乎看不到枝晶或突起 ( 圖 2b) ，這表明生長在 Zn 箔上的超細交錯 ZnO 納米線陣列有效地抑制了 Zn 枝晶的生長。
圖 2. 對稱電池中 (a) 裸鋅電極和 (b) ZnO@Zn 電極的原位光學(xué)顯微鏡圖像 , (c) 組裝 Zn//Zn 和 ZnO@Zn//ZnO@Zn 對稱電池中鍍鋅 / 剝鋅示意圖
圖 3. 負極電化學(xué)性能測試： (a) 對比樣長循環(huán)測試， (b-d) 成核過電位對比測試， (e) 循環(huán)壽命和成核過電位直觀對比， (f) 小電流密度下材料的循環(huán)壽命對比， (g) 交流阻抗比較
圖 4. ZnO@Zn//NPHC 鋅離子電容器相關(guān)電化學(xué)性能測試： (a) CV 測試， (b) GCD 測試， (c) 容量倍率性能對比， (d) 器件的長循環(huán)壽命對比。
這項工作所采用的界面設(shè)計和水平陽極氧化策略在無枝晶超穩(wěn)定鋅基儲能器件的表面工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，將促進具有固有安全性的下一代綠色儲能系統(tǒng)的發(fā)展。
論文第一作者為西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院彭輝云亭青年教授和碩士研究生王鑫，通訊作者為馬國富教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金，甘肅省杰出青年基金和甘肅省教育廳產(chǎn)業(yè)支撐計劃項目等資助。

原文鏈接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c19616

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