《ACS Nano》: 锌离子迁移动力学和Zn（002）定向沉积的协同调控

助力高度可逆的锌负极

Highly Reversible Zn Anodes Achieved by Enhancing Ion-Transport Kinetics and Modulating Zn (002) Deposition

Zhenhai Shi, Meng Yang, Yufeng Ren, Yizhou Wang, Junhong Guo, Jian Yin,

Feili Lai, Wenli Zhang, Suli Chen,* Husam N. Alshareef,* and Tianxi Liu*

ACS Nano 2023, DOI: 10.1021/acsnano.3c08197

水系锌离子电池（ZIBs）因其资源丰富、环境友好、安全性高等优点备受关注，被视为下一代大规模储能技术强有力的竞争者。其中，锌金属具有高理论比容量和低氧化还原电位等优点，是一种极具潜力的水系ZIBs负极材料，然而，锌金属负极表面不可控的枝晶生长和严重的副反应（腐蚀、析氢等）极大阻碍了ZIBs的发展和实际应用。构建人工界面保护层以修饰锌金属表面是解决枝晶形成和界面副反应的有效方法，但构筑具有快速锌离子传输动力学且能同时诱导Zn（002）定向沉积的界面保护层一直具有挑战性。

鉴于此，本课题组提出多功能氟磷灰石（Ca₅(PO₄)₃F）气凝胶（FAG）作为人工界面层以稳定锌金属负极，通过对Zn²⁺迁移动力学和Zn（002）取向沉积的协同调控，实现了高度可逆的锌金属负极。具体而言，受益于丰富的气凝胶纳米通道和Ca²⁺与Zn²⁺之间的离子交换，FAG界面层能够通过吸附Zn²⁺加速Zn²⁺迁移动力学，并均匀化Zn²⁺通量和成核位点，从而促进Zn²⁺在锌负极表面均匀沉积。此外，在循环过程中，原位生成的ZnF₂能够促进Zn（002）择优取向沉积，有效抑制枝晶生长和副反应。因此，FAG修饰的Zn负极表现出优异的循环稳定性，在1 mA cm^-2下具有超过4000小时的长循环，同时，基于FAG@Zn||MnO₂的全电池也表现出可观的循环性能和倍率性能。本工作为开发无枝晶和无腐蚀的高稳定先进锌金属负极材料提供了有益借鉴。

本论文第一作者为化工学院博士研究生史振海，通讯作者为江南大学刘天西教授/陈苏莉副教授和阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授。

论文连接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08197