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Regulating Zinc Nucleation Sites and Electric Field Distribution to Achieve High-Performance Zinc Metal Anode via Surface Texturing
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2022-11-27 , DOI: 10.1002/smll.202206634 Zhenrui Wu 1 , Jian Zou 2 , Yihu Li 3 , Evan J Hansen 1 , Dan Sun 3 , Haiyan Wang 3 , Liping Wang 2 , Jian Liu 1
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2022-11-27 , DOI: 10.1002/smll.202206634 Zhenrui Wu 1 , Jian Zou 2 , Yihu Li 3 , Evan J Hansen 1 , Dan Sun 3 , Haiyan Wang 3 , Liping Wang 2 , Jian Liu 1
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Understanding zinc (Zn) deposition behavior and improving Zn stripping and plating reversibility are significant in developing practical aqueous Zn ion batteries (AZIBs). Zn metal is abundant, cost-effective, and intrinsically safe compared with Li. However, their similar inhomogeneous growth regime harms their practicality. This work reports a facile, easily scalable, but effective method to develop a textured Zn with unidirectional scratches on the surface that electrochemically achieves a high accumulated areal capacity of 5530 mAh cm−2 with homogenized Zn deposition. In symmetric cells, textured Zn presents a stable cycling performance of 1100 hours (vs 250 h of bare Zn) at 0.5 mA cm−2 for 0.5 mAh cm−2 and lower nucleation and plating overpotentials of 120.5 and 41.8 mV. In situ optical microscopy and COMSOL simulation disclose that the textured surface topography can 1) homogenize the electron field distribution on the Zn surface and regulate Zn nucleation and growth, and 2) provides physical space to accommodate Zn deposits, prevent the detachment of “dead” Zn, and improve the structural sufficiency of Zn anode. Moreover, differential electrochemical mass spectrometry analysis find that the textured Zn with regulated interfacial electron activity also presents a higher resistance toward hydrogen evolution and other parasitic reactions.
中文翻译：
通过表面织构调节锌成核位点和电场分布以实现高性能锌金属阳极
了解锌 (Zn) 沉积行为并提高锌剥离和电镀可逆性对于开发实用的水性锌离子电池 (AZIB) 具有重要意义。与锂相比，锌金属储量丰富、成本低廉且本质安全。然而，它们类似的不均匀生长机制损害了它们的实用性。这项工作报告了一种简便、易于扩展但有效的方法来开发表面具有单向划痕的织构 Zn，该方法可通过电化学方式实现 5530 mAh cm -2的高累积面积容量，并具有均匀的 Zn 沉积。在对称电池中，有纹理的 Zn 在 0.5 mA cm -2和 0.5 mAh cm -2下表现出 1100 小时的稳定循环性能（相对于裸 Zn 为 250 小时）和较低的成核和电镀过电势为 120.5 和 41.8 mV。原位光学显微镜和 COMSOL 模拟表明，纹理表面形貌可以 1) 均匀化 Zn 表面的电子场分布并调节 Zn 的成核和生长，以及 2) 提供容纳 Zn 沉积物的物理空间，防止“死”脱离Zn，提高锌负极的结构充分性。此外，微分电化学质谱分析发现，具有受控界面电子活性的织构化锌也对析氢和其他寄生反应具有更高的抵抗力。
更新日期：2022-11-27
中文翻译：
通过表面织构调节锌成核位点和电场分布以实现高性能锌金属阳极
了解锌 (Zn) 沉积行为并提高锌剥离和电镀可逆性对于开发实用的水性锌离子电池 (AZIB) 具有重要意义。与锂相比，锌金属储量丰富、成本低廉且本质安全。然而，它们类似的不均匀生长机制损害了它们的实用性。这项工作报告了一种简便、易于扩展但有效的方法来开发表面具有单向划痕的织构 Zn，该方法可通过电化学方式实现 5530 mAh cm -2的高累积面积容量，并具有均匀的 Zn 沉积。在对称电池中，有纹理的 Zn 在 0.5 mA cm -2和 0.5 mAh cm -2下表现出 1100 小时的稳定循环性能（相对于裸 Zn 为 250 小时）和较低的成核和电镀过电势为 120.5 和 41.8 mV。原位光学显微镜和 COMSOL 模拟表明，纹理表面形貌可以 1) 均匀化 Zn 表面的电子场分布并调节 Zn 的成核和生长，以及 2) 提供容纳 Zn 沉积物的物理空间，防止“死”脱离Zn，提高锌负极的结构充分性。此外，微分电化学质谱分析发现，具有受控界面电子活性的织构化锌也对析氢和其他寄生反应具有更高的抵抗力。
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