EEM|天津工业大学时志强团队：无枝晶金属锌负极中磷功能化多通道碳纤维夹层的构建

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亮点

1.便于制备和操作:通过静电纺丝技术和碳化制备磷功能化多通道碳纤维夹层(PMCCI)，更盖在锌负极表面，获得无枝晶金属锌负极。

2.独特的结构:PMCCI中的多通道结构与三维骨架相结合，可提供更充足的锌沉积空间和快速的离子/电子转移速率，可有效抑制锌枝晶的生长。

3.强亲锌性:PMCCI中P-C和P=0官能团显著降低了锌的成核势垒，为锌的均匀沉积提供了大量锌位点。

4.优异的电化学性能:基于PMCCI保护的金属锌负极，组装的对称电池在2mAcm^-2/1 mAhcm^-2下具有3300 h的长寿命。与活性碳正极匹配组装的全电池表现出80.5 mAhg的高比容量，并在5A9的高电流密度下循环15000次后容量无衰减。

研究背景

锌金属作为水系锌离子电池和电容器中常见的负极材料，具有储量丰富、还原电位低(与标准氢电极(SHE)相比为0.76 V)、较高的理论容量(820 mAhg-和5855 mAhcm-3)，并且可以在空气或水中保持稳定，然而，不可避免的锌枝晶引导锌离子优先沉积在枝晶的顶端(“尖端效应”)，导致枝晶快速生长甚至电池短路。同时，柔软的锌枝晶可以从锌金属负极上脱落下来，形成失活的“死锌”，导致电池的容是和库仑效率衰减。尽管已经研究了各种策略，包括电解质优化(高浓度电解质、电解质添加剂等)、界面工程、隔膜改性、电极设计(三维电极、合金电极、等)，但仍迫切需要更简单有效的策略来实现无枝晶锌金属负极。

文章简读

在本研究中，制备了一种覆盖于金属锌负极表面的新型磷功能化多通道碳纤维夹层(PMCCI)，调控锌的均匀沉积并防止锌枝晶的形成。具体而言，基于PMCCI保护的锌负极组装的对称电池在2 mAcm-2和1 mAhcm-2下具有3300 h的长寿命。实验和理论计算充分证明，引入亲锌的P-C和P=O官能为锌沉积提供了大量的成核位点。此外，锌枝晶的生长也可以得到有效抑制，多通道结构和三维网状骨架为锌沉积提供充足的空间，离子传输速率快。采用活性碳正极组装的全电池在5 A g的高电流密度下，表现出80.5 mAh g^-1的高比容量，且在15000次循环后具有出色的循环稳定性，不会出现容量衰减。优异的电化学性能超过了大多数报道的论文。以上结果论证了PMCCI在锌基储能系统中具有广阔的应用前景。

图文赏析

图 1. 碳夹层的制备和表征。(a)PMCCI合成路线示意图，(b)MCCI的SEM图，(c)PMCCI的SEM图、数码照片(插图)和相应的EDS元素映射图像。PMCCI的(d)纤维截面和(e)横截面的SEM图。(f)PMCCI的TEM图像

图 2. Zn|zn对称电池的电化学性能。(a)恒电流放电-充电电压曲线，(b)相应的成核过电位，(c)放大的电压曲

线，(d)容量为1 mAh cm“的不同电流密度下的倍率性能。(e)与其他相关研究的性能对比。

图 3.(a)磷功能化后的碳层结构模型。(b)一个Zn原子与不同吸附位点之的5种可能模型和相应的结合能。

(C)PMCCI夹层构建无枝晶锌金属负极示意图。

图 4.Zn|AC全电池的电化学性能。(a)不同扫描速率下的CV曲线，(b)不同电流密度下的初始充放电曲线,(c)倍率性能，(d)1 A g下的长循环性能,(e)在1Ag下500次循环前后的交流阻抗图，(f)5 Ag下的长循环性能。

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《能源与环境材料（英文）》（Energy & Environmental Materials）创刊于2018年，是由郑州大学和Wiley出版集团共同主办的国内外公开发行的英文期刊，主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发，促进人类社会可持续健康发展。期刊2022年度影响因子为15，JCI指数1.58，5年影响因子16.5，2022年度CiteScore为20.5，SNIP指标为2.425。在材料科学各领域位列前茅，其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD等数据库。

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