Angew. Chem: 基于亲锌铜网骨架和Zn2+导向作用的聚丙烯酰胺电解液添加剂实现无枝晶锌金属负极

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，广泛应用于便携式设备和电动汽车。然而，原料成本的不断上涨和可燃性的有机电解质带来的安全问题限制了其进一步的发展。水系锌离子电池具有天然丰度高、离子电导率高等优点，被认为是一种可替代锂离子电池的低成本、高安全性的储能系统，近年来受到了广泛的关注。与锂负极类似，锌枝晶的形成可能导致循环稳定性差，库仑效率低等问题，严重限制了锌负极的实际应用。

近日，中南大学王海燕-唐有根团队提出了一种基于亲锌性铜网骨架和Zn²⁺导向作用的聚丙烯酰胺(PAM)电解质添加剂制备无枝晶锌负极的协同改性策略。铜网不仅可以为锌负极提供结构支撑，而且可以通过原位形成的Cu-Zn固溶体促进锌的均匀成核，PAM上的酰基对锌离子具有较强的选择性吸附作用，锌离子可以沿聚合物链转移在电极表面呈均匀分布。密度泛函理论（DFT）计算证明了Cu-Zn固溶体和PAM对锌沉积的积极作用。

制备的锌负极在较宽的电流密度范围内（0.2~20 mA cm^-2）均表现出无枝晶的形貌，并利用PAM改性后的活化界面显著提高了循环稳定性。制备的锌阳极在高放电容量4 mAh cm^-2 （放电深度=80%）时，在对称电池中可稳定循环280 h，并具有低电压滞后（93.1 mV），电化学性能显著提高。组装成的Zn/MnO₂电池，在1 A g^-1的电流密度下，可以循环600次。

进一步研究表明，锌枝晶的尺寸与电流密度呈负相关关系。在低电流密度下，由于锌表面的活化位点较少，难以获得足够的成核能量，锌枝晶倾向于更大尺寸的分散生长。随着电流密度的增大和过电位的增大，锌的粒度减小，小尺寸的锌枝晶刺穿隔膜的风险更低，可使电极保持稳定充放电循环。而PAM可以调节界面状态来平衡电场分布，特别是在电流密度相对较低的情况下更有利于形成均匀的镀锌层并表现出较低的极化电压。

本文提出的简单高效的抑制枝晶生长的策略可以大规模生产低成本的锌金属阳极，并且为开发下一代商业应用的锌离子电池提供了新的指导思路。相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者为中南大学博士研究生张旗。

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The Three-Dimensional Dendrite-Free Zinc Anode on a Copper Mesh with a Zinc-Oriented Polyacrylamide Electrolyte Additive

Qi Zhang, Jingyi Luan, Liang Fu, Shengan Wu, Yougen Tang, Xiaobo Ji, Haiyan Wang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201907830

导师简介

王海燕，中南大学副教授，化学电源湖南省重点实验室副主任，中国储能与动力电池及其材料专业委员会副秘书长。入选香江学者，湖湘青年英才，长沙市“3635”急需紧缺和战略人才计划，中南大学“升华育英”学者。曾获国家公派留学英国University of St. Andrews，2016-2018在香港科技大学从事香江学者研究。近几年一直从事有色金属能源材料与电池器件的应用基础研究，重点在钠离子电池及其金属能源（锂，钠，铝，锌）领域开展了系列研究，目前以第一或通讯作者在Energy Environ Sci, Angewandte, Adv Mater, Adv Energy Mater, Nano Energy等国内外知名期刊发表论文95篇，论文已被他引2500余次，H指数为32。获授权国家发明专利7项。主持或合作主持Journal of Physics D: Applied Physics和Journal of Central South University两个英文专辑。先后获得重庆市科学技术进步奖一等奖1项和天津市科技进步三等奖1项。

王海燕

https://www.x-mol.com/university/faculty/15191

唐有根

https://www.x-mol.com/university/faculty/15184

（本稿件来自Wiley）