华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
在“双碳”战略背景下,积极发展新能源和清洁能源是必行之事。而具有高能量密度、成本低、安全环保等优点的锌离子电池,有望取代锂离子电池成为新型便携式能源储存设备。在众多的水系可充电电池候选产品中,锌离子电池已成为大规模储能系统的最佳选择之一。然而,锌负极中的枝晶、腐蚀和副反应等问题限制了锌离子电池的发展。三维锌负极的构建对于缓解锌负极所面临的问题具有一定现实的意义。近日,华北理工大学何章兴教授、吉首大学吴贤文教授联合厦门大学张桥保教授等团队首次从三维结构的新角度对锌负极进行全面的综述,可以快速了解这一领域的现状和未来发展方向,有利于从结构设计的角度发展高性能锌离子电池。

其成果以题为“A review on 3D zinc anodes for zinc ion batteries”在国际知名期刊Small Methods,2022,2200597上发表。本文第一作者为华北理工大学郭娜,通讯作者为华北理工大学何章兴教授、吉首大学吴贤文教授和厦门大学张桥保教授。该工作还得到了加州大学圣地亚哥分校刘豪东博士,厦门大学化学化工学院梁汉锋教授的指导、帮助与支持。

【研究亮点】
本文总结了近年来锌负极面临的挑战,如锌枝晶、析氢和腐蚀、钝化。
简要介绍了锌负极和三维(3D)锌负极的储能机制。
详细总结了不同结构的三维锌负极:纯锌负极、镀锌负极和其他的3D锌负极。
阐述了三维锌负极材料设计面临的巨大挑战和机遇。

【图文导读】
华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
图1. 近年来3D锌负极的代表性工作时间轴图

三维锌负极在近几年经历着快速的发展和变化。由控制纯锌的颗粒或粒子分布而形成多孔锌负极逐步发展为镀锌极。研究人员在镀锌基底材料上做了许多工作,从一种到多种材料复合逐渐摸索,才有了今天的成果。纯锌负极也从结构不稳定的颗粒演变成通过腐蚀或脱合金等方法形成的多孔锌负极。

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
图2. 三维锌负极的分类汇总图

三维结构的锌负极可以分为纯锌负极和非纯锌负极。总结近些年的文章,纯锌负极具有多种结构,包括纤维状锌负极、多孔锌负极和脊柱状锌负极;非纯锌负极的镀锌负极因基底材料的不同,分为金属材料镀锌负极、碳材料镀锌负极和其他材料的镀锌负极,非纯锌负极还有通过其他方式形成的3D锌负极。

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
图3. 三维锌极储能机制

锌离子电池的储能机制,简单来说,就是锌金属与锌离子的转化过程,放电过程中,负极上的锌转化为锌离子,充电过程中,溶液中的锌离子转化为金属锌。在三维结构中储能也是同样的过程,不同之处是:锌离子转为锌金属是不单单发生在极表面,可以通过三维结构的孔隙发生在内部,从而加速反应的动力学过程。

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
图4. 纯锌负极

纯锌极的结构示意图和表征表明这些3D结构可以有效增大锌极的比表面积,并且可以改变离子迁移通道,为充放电过程中锌离子的均匀沉积提供有利条件,从而抑制锌枝晶生长进一步提升电池的性能。

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
图5. 金属基底镀锌

由于金属材料具有良好的导电性,它能够加速电极反应过程中的电子转移。此外,使用具有亲锌性的金属(铜网,泡沫铜,多孔铜,镍纳米管、多孔钛等)有利于形成锌的活性成核位点,实现锌离子均匀沉积,调控界面电场,实现无枝晶的锌极,延长电池的运行寿命。

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
图6. 碳基材料基底镀锌

碳材料因其可用性高、结构通用性强、制造工艺方便等特点成为目前最受欢迎的候选材料,在电化学领域应用广泛。碳基材料一般具有较大的比表面积,可以为锌的成核提供丰富位点,避免枝晶的产生,保证锌离子的均匀沉积。碳基材料改性锌极是优化水系锌离子电池电化学性能的有效策略。

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
图7.其他方法获得的3D锌负极

除了广泛使用的电镀方法,还有一些其他方法获得3D锌负极,如碾压法、真空抽滤法和熔融合金法等。这类方法大多操作简便,符合电极改性和设计的基本要求。其中,合金策略是近期比较热门的方法,通过引入异质元素,可以抑制锌枝晶的生长,同时还能减轻电极副反应的发生,从而有效提升电池的电化学性能。

【结论】
本文全面总结了水系锌离子电池面临的挑战,包括枝晶生长、析氢和腐蚀以及钝化问题。简单介绍了锌极以及3D锌极的储能机理。随后详细讨论了具有不同结构的三维锌负极。最后,强调了3D锌极材料设计面临的巨大挑战和机遇,并对3D结构的设计提出一些建议:(1)多角度观点共同提升锌极性能;(2)合理选择基底材料稳定锌极;(3)基底材料改性方向提升电池性能;(4)综合考虑构建3D锌极。我们希望所做的工作能够为锌离子电池的发展做出贡献。
华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
图8. 三维锌极未来研究方向建议图

【文献链接】
Na Guo,Wenjie Huo, Xiaoyu Dong, Zhefei Sun, Yutao Lu, Xianwen Wu,* , Lei Dai, Ling Wang, Haichen Lin, Haodong Liu, Hanfeng Liang, Zhangxing He* , Qiaobao Zhang*. A review on 3D zinc anodes for zinc ion batteries. Small Methods,2022,2200597
DOI: 10.1002/smtd.202200597.

【通讯作者简介】
华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
何章兴,华北理工大学教授,硕士生导师。主要致力于储能材料与电化学相关研究,主持国家自科、河北省杰青、河北省教育厅青年拔尖人才项目等多项课题。以第一或通讯作者在Nano-Micro Lett、J Energy Chem、J Mater Sci Technol、无机材料学报、ACS Nano、Chem Eng J、Carbon、J Colloid Interf Sci、Electrochim Acta等国内外期刊发表论文70余篇,一区论文40余篇,曾入选ESI高被引论文13篇,热点论文1篇。

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
吴贤文,工学博士,教授,博士生导师,现担任吉首大学化学化工学院副院长和锰锌钒产业技术湖南省2011协同创新中心主任。入选湖湘青年英才和湖南省青年骨干教师。湖南省一流本科课程负责人、湖南省第二届优秀研究生导师团队负责人、湖南省“三区”科技人才。系中国能源学会专家委员会新能源专家组副主任委员、Chinese Chem. Lett.和Rare Metals 青年编委、Front. Chem.期刊客座副主编。牵头出版了《储能材料——基础与应用》等五部锰锌钒产业技术系列丛书。主持国家自然科学基金项目(3项)、湖湘青年英才支持计划项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省教育厅重点及优秀青年项目、湘西自治州重点研发计划等10余项。在能源与材料电化学领域期刊上以第一或通讯作者在Nano-Micro Lett、Energy Storage Mater、J. Energy Chem、Small Methods、J.Mater. Chem. A、J. Power Sources、J. Colloid Interf. Sci等刊物上发表SCI/EI论文60余篇,引用次数达2361次(其中他引2183次),H指数因子28,单篇最高影响因子23.655,单篇最高他引348次,入选ESI高被引论文5篇、热点论文4篇。

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望
张桥保,厦门大学材料学院教授,博士生导师,南强青年拔尖A类人才,嘉庚创新实验室荣誉研究员,国家自然科学基金委优秀青年基金获得者。2016年获香港城市大学哲学博士学位,2015年在佐治亚理工学院刘美林教授课题组访学,2016 年至今在厦门大学工作。主要从事二次电池关键电极材料的设计优化及其储能过程中的构效关系解析的基础科学和应用研究。共发表SCI学术论文130余篇,总引9000余次,ESI高引21篇,H 因子52。迄今以第一或通讯作者(含共同)在Chem. Soc. Rev., Prog. Mater. Sci., Coord. Chem. Rev. Adv. Mater., Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Mater. Today, Adv. Energy. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.,等重要学术期刊上发表论文90余篇,两篇入选2019年度 “中国百篇最具影响国际学术论文” 。先后入选了全球前2%顶尖科学家榜单和全球顶尖10万科学家榜单。担任中国颗粒学会青年理事,Chin.Chem.Lett.副主编,Rare Metals 学术编辑,J. Energy Chem和储能科学与技术杂志编委,InfoMat,Nano Research,SmartMat,物理化学学报等杂志青年编委及客座编辑。曾获2020中国新锐科技人物卓越影响奖,J. Mater. Chem. A.期刊新锐研究者奖和厦门大学德贞社会课堂基金优秀指导教师奖等奖项。主编书籍【电池材料—合成、表征与应用 (化学工业出版社)】一本。
个人主页:
https://cm.xmu.edu.cn/2016/1128/c20302a446876/page.htm

XPS表征锂金属负极SEI层入门指南

2022-07-20

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

【顶刊攻略】锂硫电池中多硫化锂溶与不溶之间的对立统一

2022-07-20

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

电解液和SEI膜协同调控助力石墨低温充电

2022-07-20

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

通过离子交换树脂调控质子分布从而实现长循环水系Zn/MnO2电池

2022-07-20

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

长春应化所李茜&明军研究员电解液交换篇:分子尺度理解SEI膜的形成、功效及功能型锂离子电池的设计

2022-07-19

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

又双叒叕是电池界面!两篇Nature Energy共同阐明界面形成和溶解

2022-07-19

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

中科院上海硅酸盐研究所和北京大学黄富强、王家成、唐宇峰Advanced Science:构建双金属异质结构实现大电流高效电解水

2022-07-19

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

刘利峰教授 AFM:具有异质界面和配位不饱和金属活性位点的NiFeSP纳米管助力高效海水电解

2022-07-19

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

ACS Energy Letters封面:一种用锌做固体燃料的燃料电池

2022-07-19

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

湖南大学鲁兵安团队AFM:首次报道一种可充电的钾/溴电池

2022-07-18

华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望


华北理工何章兴&吉首大学吴贤文&厦大张桥保Small Methods:锌离子电池三维结构锌负极的挑战、储能机制、分类及展望

本文由能源学人编辑liuqiwan发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/92579.html

参考文献: