AFM:锌金属负极NTP固态电解质保护层助力水系锌离子电池实现超长循环

【研究背景】

    锌金属负极因具有高理论容量(820 mAh g-1)和高工作电势(−0.78 V vs SHE),使得水系锌离子电池有着很好的实际应用前景。然而,锌金属负极不均匀的离子沉积(枝晶),析氢副反应等可导致电池短路,容量衰减和循环寿命缩短等问题。因此,高可逆高安全的锌金属负极对于提升水系锌离子电池电化学性能至关重要。

【工作介绍】

    近日,中国科学技术大学朱永春课题组报道了一种快离子导体-磷酸钛钠(NTP)固态电解质层保护锌金属负极,通过密度泛函理论计算了Zn2+在NTP晶格中扩散能垒大小,XPS、非原位XRD谱图以及HRTEM近一步验证了Zn2+在NTP晶格中扩散的过程。实验结果表明:NTP保护层具有高离子电导和低电子电导的特点,其有效地均匀负极表面的Zn2+沉积,抑制了锌枝晶的形成,同时该保护层有效阻碍了副反应的发生,提高了锌沉积的可逆性。基于此,实现了NTP@Zn/MnO2(电解液:2M ZnSO4+0.2 M MnSO4)全电池在10 C倍率下的10000圈的超长循环,每圈容量衰减率仅为0.004%,万圈循环后容量仍有105 mAh g-1。该文章发表在 Advanced Functional Materials 上。刘孟珂为本文第一作者,朱永春为通讯作者。

【内容表述】AFM:锌金属负极NTP固态电解质保护层助力水系锌离子电池实现超长循环  图一 示意图

AFM:锌金属负极NTP固态电解质保护层助力水系锌离子电池实现超长循环图二 密度泛函理论计算和NTP@Zn恒流锌离子沉积非原位XRD衍射花样

AFM:锌金属负极NTP固态电解质保护层助力水系锌离子电池实现超长循环图三 NTP@Zn循环前后XPS谱图和XRD衍射花样、HRTEM图像对比

AFM:锌金属负极NTP固态电解质保护层助力水系锌离子电池实现超长循环图四 对称电池可逆循环性能

AFM:锌金属负极NTP固态电解质保护层助力水系锌离子电池实现超长循环图五 NTP@Zn离子沉积的原位光学显微镜测试,NTP@Ti离子沉积和NTP@Zn循环的SEM图像

AFM:锌金属负极NTP固态电解质保护层助力水系锌离子电池实现超长循环图六 NTP@Zn/MnO2全电池电化学性能测试

Mengke Liu, Jinyan Cai, Huaisheng Ao, Zhiguo Hou, Yongchun Zhu, and Yitai Qian. NaTi2(PO4)3 Solid‐State Electrolyte Protection Layer on Zn Metal Anode for Superior Long-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater. 2020, DOI:10.1002/adfm.202004885

作者简介

朱永春,长期从事二次电池电极材料研究,研究涉及水系离子电池、高比容量锂(钠)离子电池机理及应用基础。2015年以来,以通信作者在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Joule、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Nano Energy等发表SCI论文70余篇,H 因子44。

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参考文献:Adv. Funct. Mater.