“理工振興”學術動態：物理學院在新型水系鋅離子電池研究方面取得新進展

2023-12-22

近日，物理學院先進材料與能源器件團隊與武漢理工大學合作，在水系鋅離子電池儲能研究方面取得新進展，相關工作“Selective Shielding of the (002) Plane Enabling Vertically Oriented Zinc Plating for Dendrite-Free Zinc Anode”以河北大學為第一單位發表在國際著名期刊《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202308577，IF=29.4），我校朱前程博士為第一和通訊作者，張文明教授和武漢理工大學劉金平教授為共同通訊作者。

水系鋅離子電池（AZIBs）由于具有低成本、操作安全、環境友好和高容量等優點，被認為是未來新型儲能系統的有力競爭者。然而，鋅負極枝晶的生長是制約鋅離子電池發展的關鍵難題。傳統報道的抑制鋅枝晶的方式是通過控制（002）晶面的沉積來獲得平整的鋅表面，然而（002）晶面的鋅沉積動力學緩慢。前期研究表明（100）晶面的鋅沉積動力學比（002）晶面甚至（101）晶面更快，如能實現（100）晶面的鋅均勻沉積，將使得鋅原子能夠實現超快速的沉積/剝離。但是同時，快速的（100）晶面鋅沉積很難得到控制，從而造成枝晶生長猖獗，因此，實現（100）晶面的鋅均勻沉積充滿挑戰性。該工作通過引入磷酸單十二烷基酯鈉鹽（DLP）作為電解液添加劑，利用DLP中的磷酸基團的強極性選擇性吸附于（002）晶面，而暴露的長鏈碳氫基團能夠有效屏蔽（002）晶面的生長，從而促進了鋅在（100）晶面的擇優生長，最終在鋅負極表面形成了垂直且致密的鋅沉積層，抑制了鋅枝晶的產生。得益于（100）晶面快速的鋅沉積/剝離動力學，該工作實現了超高的鋅沉積/剝離電流密度和高沉積容量，鋅負極在50 mA cm^-2的超高電流密度下也能穩定循環。該工作為鋅負極優選晶面沉積提供了新思路，為實現超快鋅沉積/剝離、且無枝晶的鋅負極提供了示范。

在近期的另一項工作中，朱前程博士和張文明教授等人從最根本的去溶劑化過程出發，設計了系列電解液添加劑，通過引入TEG分子作為添加劑，占據溶劑化殼中水分子的位置來調節溶劑化結構，進一步降低去溶劑能壘，從而有助于溶劑化水分子的解離，以及抑制水的分解和相關的副產物（Energy Storage Materials，2023, 63：102997，IF=20.4）；而正極方面的工作，該團隊設計了一種大約3個原子層的氧化釩材料。該原子級厚度的類石墨烯氧化釩（GAVOH）能夠實現超過700 mAh g-1的高容量。理論和電化學研究表明該材料儲能的動力學行為表現出明顯的贗電容行為（Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2211412，IF=19）。