近日,我所无机膜与催化新材料研究组(504组)杨维慎研究员、朱凯月研究员团队在水系锌离子电池金属负极研究中取得新进展。团队利用阴离子表面活性剂增强了电极界面对锌离子的吸附,实现了高Zn(002)取向的无枝晶锌负极。此外,团队提出了以电极/电解液界面处静电吸附强度作为电解液添加剂的初步筛选标准。
水系锌离子电池具有安全性高、成本低、离子电导率高、稳定性好等优点,在大规模储能方面有着广阔的应用前景。但是,金属锌负极在循环的过程中存在枝晶、腐蚀、析氢等问题,其中枝晶问题会导致电池短路失效,同时伴随一定的安全隐患,限制了水系锌离子电池的发展。
本工作中,团队提出增强电极界面处静电吸附的策略,利用廉价的阴离子表面活性剂(例如十二烷基苯磺酸钠)在电极界面处的自发排列特性,构建了一层带负电的分子吸附层;通过十二烷基苯磺酸根离子层与带正电荷的锌离子之间的静电吸附,增强锌离子沉积过程中的二维扩散,实现致密沉积。研究发现,由于致密沉积的特性,以及阴离子表面活性剂在剥离过程中的作用,使得电极在循环的过程中,Zn(002)晶面取向不断增强,平整度逐渐增加,存在电极自优化的过程。此外,团队根据界面处静电吸附的强弱,利用电极活性面积变化率作为桥梁,提出了锌离子沉积过程中的瞬时形核模型,以及连续形核模型,用于解释目前存在的两种典型对称电池曲线,理论结果与实际曲线一致,验证了两种模型的有效性。最后,根据增强静电吸附的策略及提出的连续形核模型,团队进一步筛选出了两种阴离子表面活性剂(十二烷基硫酸钠、月桂亚氨基二丙酸二钠),证实了增强界面静电吸附以及模型的普适性。
相关成果以“Highly 002-Oriented Dendrite-Free Anode Achieved by Enhanced Interfacial Electrostatic Adsorption for Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题,于近日发表在《美国化学学会-纳米》(ACS Nano)上。该工作的第一作者是我所504组博士研究生谢威立。上述工作得到了国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金、我所创新基金等项目的资助。(文/图 谢威立、朱凯月)